Tipos de fragilização em aços

Algumas fraturas chegam sem sobrecarga, sem desgaste e com certificado limpo, e a causa é uma alteração no próprio aço que o registro do processo explica. Esta página reúne os tipos de fragilização que a fonte lista para ligas ferrosas, a janela de temperatura ou o ambiente que desencadeia cada um e a forma como cada um é evitado.

Os tipos de fragilização e o que desencadeia cada um

A tabela abaixo é o resumo que a fonte apresenta para ligas ferrosas, com os aços suscetíveis, o gatilho e o resultado. A coluna do gatilho é a parte a ser lida em confronto com um registro de processo, porque a maioria dessas condições é visível no registro de tratamento térmico ou de serviço, e não na fratura.

Tipo de fragilização	Aços afetados	O que a desencadeia	O que ela faz
Fragilização por envelhecimento após deformação	Aço de baixo carbono	Precipitação após um processo de deformação, com envelhecimento à temperatura ambiente ou ligeiramente elevada	A resistência aumenta, a ductilidade cai. Cerca de 15 por cento de redução a frio proporciona o efeito máximo, e pode levar meses à temperatura ambiente ou minutos a 400 °F (200 °C).
Fragilização por envelhecimento após têmpera	Aço de baixo carbono	Têmpera a partir de temperatura abaixo da temperatura crítica inferior, seguida de precipitação durante o envelhecimento	A resistência aumenta, a ductilidade cai. Aços entre 0,04 e 0,12 por cento de carbono são os mais suscetíveis, e a têmpera tem que começar acima de cerca de 1040 °F (560 °C).
Fragilidade azul	Aços carbono e ligados	Exposição entre 450 e 700 °F (230 e 370 °C)	A resistência aumenta e tanto a ductilidade quanto a resistência ao impacto caem acentuadamente. É uma forma acelerada de fragilização por envelhecimento após deformação, e a deformação dentro da faixa de temperatura a agrava.
Fragilização por alívio de tensões e trincamento por reaquecimento	Aços ligados e inoxidáveis	Tratamento térmico pós-soldagem de um sistema de liga endurecível por precipitação	A tenacidade cai na zona afetada pelo calor ou no metal de solda, e em casos graves ocorrem trincas ao longo dos contornos de grão. Vanádio, molibdênio e boro aumentam o risco.
Fragilização por revenimento	Aços carbono e de baixa liga	Exposição entre 660 e 1060 °F (350 e 570 °C), ou resfriamento lento através dessa faixa após revenimento a alta temperatura	A temperatura de transição dúctil-frágil aumenta, em até 360 a 540 °F (200 a 300 °C) em casos relatados, enquanto a resistência e a dureza permanecem onde estavam.
Fragilização por martensita revenida	Aço ligado tratado termicamente	Revenimento entre 400 e 700 °F (200 e 370 °C), com serviço à temperatura ambiente	A energia de impacto cai, pior perto de 600 °F (315 °C), enquanto a resistência à tração, a resistência ao escoamento e o alongamento permanecem inalterados. Também chamada de fragilização por revenimento em uma etapa.
Fragilização de 400 a 500 °C	Aço inoxidável com mais de 15 por cento de cromo	Longa exposição entre 750 e 930 °F (400 e 500 °C), mais severa perto de 885 °F (475 °C)	A resistência aumenta e a ductilidade cai, e a resistência à corrosão diminui junto aos contornos de grão. A reação se inverte ao aquecer acima da faixa.
Fragilização por fase sigma	Aço inoxidável ferrítico e austenítico	Longa exposição entre 1050 e 1800 °F (565 e 980 °C)	A tenacidade cai e a sensibilidade ao entalhe aumenta, e a perda de tenacidade é quase total quando a peça esfria abaixo de 500 °F (260 °C). A resistência à corrosão e resistência à fluência caem junto.
Grafitização	Aço carbono e de baixa liga	Longo serviço acima de cerca de 800 °F (425 °C), tipicamente 850 a 1100 °F (450 a 600 °C)	A tenacidade cai onde a grafita se forma ao longo de um caminho contínuo através de um componente que suporta carga. Os aços desoxidados com alumínio são os mais expostos, e o cromo acima de 0,7 por cento resiste a isso.
Fragilização por composto intermetálico	Todos os aços	Contato em temperatura elevada com um metal que forma uma fase intermetálica, como o zinco no aço galvanizado	Uma fase intergranular frágil se forma nos contornos de grão. Não há fusão envolvida, e o dano é irreversível.
Fragilização por nêutrons	Todos os aços	Irradiação por nêutrons em serviço nuclear	A temperatura de transição dúctil-frágil aumenta, em até 360 °F (200 °C), e a fratura intergranular torna-se mais provável. O teor de níquel e os resíduos de cobre ou fósforo aumentam a sensibilidade.
Fragilização por hidrogênio	Aço encruado a frio ou endurecido por tratamento térmico	Carga de hidrogênio durante a fabricação do aço, decapagem, eletrodeposição, soldagem ou corrosão em serviço	A ductilidade cai e a peça trinca de forma retardada sob carga estática, frequentemente abaixo do limite de escoamento e sem deformação plástica visível.
Fragilização induzida por metal líquido	Todos os aços	Contato com um metal fundido de baixo ponto de fusão, sob tensão de tração e molhamento da superfície	A ductilidade cai acentuadamente e uma trinca percorre os contornos de grão a velocidades medidas em polegadas por segundo. Peças pequenas falham quase instantaneamente quando a tensão é suficientemente alta.
Fragilização induzida por metal sólido	Todos os aços	Contato com um metal de baixo ponto de fusão quase fundido ou sólido, sob tensão de tração	A ductilidade cai e a peça falha de forma retardada sob carga estática, com o tempo até a falha aumentando à medida que a tensão diminui. O crescimento da trinca depende da temperatura.

Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), o resumo dos tipos de fragilização observados em ligas ferrosas no artigo Overload Failures.

• A lista é um resumo de ligas ferrosas, e a fonte observa que metais não ferrosos têm seus próprios fenômenos de fragilização. Observa também que vários desses mecanismos ainda estão sendo descritos na literatura, de modo que a ausência de um mecanismo em uma tabela não é evidência de que ele não possa ocorrer.
• Uma peça que trincou sem sobrecarga e sem deformação visível é a população da qual esses mecanismos provêm. A leitura da própria fratura é abordada no gráfico de identificação de modos de dano.

As janelas de temperatura em uma única visão

Os mesmos gatilhos lidos por temperatura, que é como são encontrados em um programa de forno ou em um registro de serviço. Uma temperatura de revenimento ou uma temperatura de trabalho que se situe dentro de uma dessas faixas merece uma segunda análise quanto ao tempo que a peça permanece nela.

Janela	O que acontece nela	Onde é encontrado
400 a 700 °F (200 a 370 °C)	Fragilização da martensita revenida em aço ligado tratado termicamente, e fragilidade azul em aços carbono e ligados. Ambas atuam sobre a energia de impacto, e não sobre as propriedades de tração.	Qualquer peça revenida dentro dessa faixa, e qualquer peça que trabalhe nessa temperatura. Uma série de Charpy V-notch em função da temperatura de revenimento é a forma usual de encontrá-la.
660 a 1060 °F (350 a 570 °C)	Fragilização por revenimento, mais rápida em torno de 850 a 900 °F (455 a 480 °C). É causada pela segregação de fósforo, antimônio, estanho e arsênio nos contornos de grão.	Aços ligados que combinam cromo com níquel ou manganês, e seções espessas que resfriam lentamente através da faixa após um revenimento a alta temperatura.
750 a 930 °F (400 a 500 °C)	A faixa dos aços inoxidáveis de alto cromo, pior perto de 885 °F (475 °C). Fases ricas em cromo se formam e a resistência à corrosão cai junto aos contornos de grão.	Peças inoxidáveis ferríticas, martensíticas e duplex mantidas na faixa, incluindo ciclos de alívio de tensões e revenimento.
800 a 1025 °F (425 a 550 °C)	Grafitização em aço carbono e baixa liga, e fragilização por fluência em aços ferríticos acima de 800 a 1100 °F (425 a 595 °C). Ambas dependem do tempo tanto quanto da temperatura.	Longo serviço em temperatura moderada, com as zonas afetadas pelo calor das soldas como um dos locais prováveis.
1050 a 1800 °F (565 a 980 °C)	Fase sigma em aços inoxidáveis, formando-se mais rapidamente em torno de 1550 °F (845 °C). A fase é dura e frágil e remove a tenacidade assim que a peça esfria.	Aço inoxidável que é solubilizado, aliviado de tensões ou soldado nesta faixa, e qualquer serviço em alta temperatura dentro dela.

Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, as seções de fragilização induzida termicamente e induzida ambientalmente do artigo Overload Failures.

• A janela e o tempo importam juntos. A fragilização por revenimento é controlada por difusão e depende do teor de impurezas e do tempo de permanência na faixa, bem como da temperatura, enquanto a fragilidade azul pode aparecer em minutos.
• As reações metalúrgicas que ocorrem em cada janela durante um ciclo de tratamento térmico, e a variação dimensional que cada uma acarreta, estão tabuladas separadamente na página de variação dimensional no tratamento térmico.

Fragilização por revenimento, o mecanismo que se reverte

A fragilização por revenimento é o único mecanismo nesta página que pode ser removido de uma peça acabada, e sua química é específica o suficiente para ser lida a partir de uma análise de corrida.

Item	Detalhe
Elementos responsáveis	Fósforo, antimônio, estanho e arsênio segregam-se para os contornos de grão. Silício, germânio, selênio, telúrio e bismuto também são identificados como agentes fragilizantes, e o manganês tanto causa quanto facilita o fenômeno.
Aços mais em risco	Aços ao níquel-cromo são particularmente propensos. Aços carbono comuns não são suscetíveis, e aços carbono comuns com menos de 0,3 por cento de manganês não são considerados suscetíveis de forma alguma. Adições de molibdênio reduzem a suscetibilidade.
Onde é mais rápido	Cerca de 850 a 900 °F (455 a 480 °C) dentro da faixa de 660 a 1060 °F (350 a 570 °C). Estruturas martensíticas e bainíticas tratadas termicamente são mais suscetíveis do que as ferríticas e perlíticas.
Como é detectado	Um aumento na temperatura de transição dúctil-frágil com resistência e dureza inalteradas, de modo que o ensaio de tenacidade o detecta e o ensaio de tração não. A fractografia eletrônica acrescenta a fração de área das facetas intergranulares.
Indicadores de suscetibilidade	A pesquisa em soldagem produziu dois indicadores simples. O fator X combina fósforo, antimônio, estanho e arsênio com uma ponderação sobre o fósforo, e o número de Watanabe J é (Si + Mn) x (P + Sn) x 10.000, com um valor abaixo de 200 considerado como indicativo de que o metal não é suscetível.
Como é removido	Revenha acima da faixa crítica e resfrie rapidamente. Seções espessas que se fragilizam pelo resfriamento lento através da faixa podem ser temperadas ou resfriadas rapidamente, ou receber um revenimento extra acima da faixa seguido de resfriamento rápido.

Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, a seção de fragilização por revenimento do artigo Overload Failures. O fator X e o número de Watanabe vêm da pesquisa em soldagem ali citada.

• A fragilização por martensita revenida fica em uma janela diferente e se comporta de maneira diferente. É produzida pelo revenimento dentro de 400 a 700 °F (200 a 370 °C), é pior perto de 600 °F (315 °C), e é a transição de carboneto épsilon para cementita nos contornos de grão austenítico prévio que a impulsiona. As propriedades de tração não se alteram, então uma série de Charpy V-notch em função da temperatura de revenimento é a maneira de vê-la. A fonte chama isso de fragilização em uma etapa, contra duas etapas para a fragilização por revenimento.
• Um cronograma de tratamento térmico de aço para ferramentas que cai dentro dessas faixas é comum, porque dureza e tenacidade se contrabalançam ao longo da curva de revenimento. Os erros que essa faixa produz em um grau estão reunidos na página de erros de tratamento térmico do D2, e a rota guiada por sintoma através de um problema de forno está na tabela de solução de problemas de tratamento térmico.

Fragilização por hidrogênio

O hidrogênio é o mecanismo que mais frequentemente não deixa marca no certificado, porque uma corrida sã do grau correto ainda pode carregar hidrogênio suficiente para trincar após o processamento.

Item	Detalhe
Os três requisitos	Tensão de tração, seja residual ou aplicada, um aço suscetível, e hidrogênio acima de um nível limite. Algumas partes por milhão de hidrogênio fragilizante são suficientes.
De onde vem o hidrogênio	Aciaria, limpeza ácida e decapagem, eletrodeposição, soldagem, e reações em serviço por exposição a gás, degradação de lubrificante ou corrosão. Venenos catódicos aumentam a quantidade absorvida.
O que falha e quando	Trincamento ou fratura de forma retardada sob carga estática, frequentemente abaixo do limite de escoamento sem deformação plástica. As trincas ramificam-se pouco e são frequentemente intergranulares, embora peças altamente tensionadas possam apresentar fratura transgranular.
Suscetibilidade	O aumento da dureza e o aumento do trabalho a frio aumentam a suscetibilidade. Aços abaixo de 100 ksi (690 MPa) de resistência à tração são frequentemente considerados resistentes ao trincamento, e permanecem suscetíveis à formação de bolhas. Graus austeníticos são muito menos suscetíveis que graus martensíticos ou ferríticos trabalhados a frio.
O que ajuda	Controle os processos que geram hidrogênio, faça o cozimento após a eletrodeposição, e alivie tensões antes da galvanoplastia. O cozimento não remove todo o hidrogênio, e a fonte registra um caso em que fixadores devidamente cozidos ainda trincaram, com a falha na transição da cabeça para a haste de um parafuso com resistência à tração mínima de 180 ksi (1.220 MPa).
O lado da aciaria	O flaking por hidrogênio é um problema potencial para aços carbono para ferramentas e para alguns aços de médio carbono baixa liga, e a desgaseificação a vácuo é a forma usual de reduzir o hidrogênio a um nível seguro. Em um caso relatado, uma matriz O1 trincou após o tratamento térmico com flakes confinados ao centro da seção, os superficiais apresentando cor de revenimento e os mais profundos não.

Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, a seção de dano e fragilização por hidrogênio do artigo Overload Failures, com o caso de flaking da seção de qualidade do aço de Failures of Tools and Dies.

• A desgaseificação a vácuo e a prática de aciaria limpa pertencem ao pedido de compra para graus onde o hidrogênio importa, e não à ferramentaria. A leitura de uma análise de corrida e as verificações que acompanham um lote entregue são abordadas mais adiante nesta página.

Contato com um metal de baixo ponto de fusão

A fragilização induzida por metal líquido e por metal sólido ambas precisam de três coisas ao mesmo tempo: um aço suscetível, molhamento da superfície pelo metal fragilizante, e tensão de tração. O serviço comercial raramente fornece um fragilizante puro, e solda, ligas de estanho e de chumbo para mancais e outras ligas todas fragilizam.

Aço estrutural	Metais que demonstraram fragilizá-lo
Aço, ferrítico ou martensítico	Mercúrio, gálio, índio, lítio, estanho, cádmio, chumbo, zinco, telúrio, cobre
Aço, austenítico	Mercúrio, lítio, zinco, cobre

Fonte: ASM Handbook, Vol. 11, metais que demonstraram causar fragilização induzida por metal líquido, fragilização induzida por metal sólido, ou ambas, de ligas comerciais. A tabela na fonte também abrange metais base de alumínio, cobre, níquel e titânio.

• A falha é rápida onde o metal está fundido, com velocidades de platô de crescimento de trinca de até cerca de 0,1 m por segundo medidas em ensaios de mecânica da fratura, e componentes pequenos falham quase instantaneamente assim que a tensão é suficientemente alta. O caminho é geralmente intergranular, e em um caso de metal líquido as trincas e suas ramificações estão preenchidas até a ponta com metal resolidificado, o que é confirmado por espectroscopia de energia dispersiva.
• O mecanismo é um fenômeno de contato e não uma propriedade da liga, portanto a resposta está no arranjo das ferramentas. Onde uma matriz trabalha contra zinco ou alumínio fundido, ou onde um dispositivo, uma liga de mancal ou um revestimento coloca um desses metais em contato sob carga, o par pertence à análise de risco.

Identificar o mecanismo antes de escolher a correção

Uma peça fragilizada pode estar íntegra em todas as verificações de rotina e ainda assim falhar abaixo de sua resistência ao escoamento. As causas por etapa, a sequência de exames e as evidências de caso estão reunidas em Página de análise de falhas de ferramentas e matrizes.

Uma trinca que se abriu sem carga aplicada

A trinca retardada após a têmpera é um problema de austenita retida e tensões, e não um problema de fragilização, e tem sua própria assinatura na parede da trinca. Os mecanismos e as etapas de prevenção estão descritos em página de trincas de têmpera.

Elementos residuais e o que perguntar à usina

A fragilização por revenimento depende de fósforo, antimônio, estanho e arsênio, e estes são os residuais que uma análise de corrida reporta no limite inferior da faixa. As verificações de certificado e o relatório de ensaio estão cobertos em página de verificação de qualidade.

Faixas de revenimento por grau

Cada grau tem uma faixa de revenimento que posiciona a dureza de trabalho onde o serviço exige, e algumas dessas faixas ficam dentro de uma banda de fragilização. As faixas e a dureza resultante estão tabeladas em tabela de têmpera.