O Equilíbrio de Fases (Ferrita e Austenita) na Soldagem de Aços Duplex: Como evitar a precipitação de fases deletérias?

A Regra de Ouro dos Aços Duplex

O segredo do sucesso dos aços inoxidáveis duplex (incluindo o Lean Duplex S32101) reside na sua microestrutura balanceada: cerca de 50% de ferrita e 50% de austenita.

A ferrita age como uma matriz robusta que confere alta resistência mecânica e proteção contra a corrosão sob tensão. A austenita, disposta em ilhas ou lamelas dentro dessa matriz ferrítica, garante ductilidade, tenacidade ao impacto e excelente resistência à corrosão por pites.

Abaixo, podemos ver a imagem de microscopia óptica típica do balanço das duas fases no metal de base analisado, com as lamelas alongadas de austenita (fase gama) claras sobre a matriz ferrítica (fase alfa) escura:

No entanto, a soldagem é o “calcanhar de Aquiles” dessa microestrutura. Quando o aço é aquecido acima de 1300 °C na região adjacente à poça de fusão (Zona Afetada pelo Calor - ZAC), ele se transforma 100% em ferrita. Durante o resfriamento, a austenita precisa se nuclear e crescer novamente. Se o ciclo térmico não for controlado, esse equilíbrio é desfeito.

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Os Perigos do Desequilíbrio Metalúrgico

Quando a junta se resfria muito rapidamente ou o aporte térmico é inadequado, a transformação de ferrita em austenita é severamente prejudicada. Durante o ciclo térmico da soldagem, as transformações metalúrgicas que ocorrem na ZAC (Zona Afetada pelo Calor) seguem a dinâmica esquematizada no diagrama de fases abaixo:

Isso gera dois problemas graves:

1. Super-ferritização (Crescimento de Grão da Ferrita): A ZAC fica com teores de ferrita muito elevados (acima de 70%), com grãos grosseiros. Isso reduz drasticamente a tenacidade da solda (tornando-a frágil) e prejudica a resistência à corrosão.
2. Precipitação de Fases Deletérias e Nitretos:
   • Nitretos de Cromo (Cr₂N e CrN): Como o Lean Duplex possui alto teor de Nitrogênio e baixo Níquel, a ferrita (que tem baixíssima solubilidade para o Nitrogênio em baixas temperaturas) fica supersaturada. O nitrogênio se combina com o cromo do aço, precipitando nitretos de cromo nos contornos de grão. Isso empobrece o cromo ao redor do precipitado, gerando regiões suscetíveis à corrosão (fenômeno de sensitização).
   • Fase Sigma (σ): Precipitação de fase intermetálica rica em ferro e cromo, extremamente frágil e nociva. Abaixo, podemos ver a localização pontual sob alta ampliação da precipitação de fase sigma na ZAC por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV):

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Como Garantir o Equilíbrio de Fases na Soldagem?

Para evitar a fragilização e manter a resistência à corrosão das juntas soldadas de Lean Duplex S32101, a engenharia de soldagem adota três estratégias fundamentais:

1. Utilização de Metal de Adição Sobreligado (ER2209)

Embora o metal de base seja o S32101 (Lean Duplex), a soldagem deve ser executada com o arame ER2209 (Duplex convencional). O ER2209 possui teores mais elevados de Níquel (cerca de 9%), que atua como um poderoso elemento promotor de austenita. Isso garante que a poça de fusão (metal fundido) solidifique e resfrie com teores adequados de austenita.

2. Controle do Aporte de Calor (Heat Input)

O aporte térmico deve ser rigorosamente controlado para manter a taxa de resfriamento em uma faixa ideal. Em juntas de Lean Duplex, recomenda-se trabalhar com aportes entre 0,5 e 2,0 kJ/mm. Um resfriamento muito rápido impede a formação de austenita; um resfriamento muito lento favorece a precipitação de fases deletérias.

3. O Efeito Benéfico do Processo TIG Dupla Fusão (GTAW-DF)

Análises microestruturais por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) mostraram que o processo TIG Dupla Fusão (GTAW-DF) promoveu um comportamento metalúrgico superior na ZAC:

• Devido ao aquecimento síncrono e controlado de ambos os lados da chapa, houve tempo suficiente para a difusão do nitrogênio e crescimento ordenado da austenita intragranular e Widmanstätten.
• A fração volumétrica de ferrita na ZAC estabilizou-se em torno de 55% a 60%, mantendo-se dentro da faixa normativa aceitável (30% a 70%).

Esta estabilização e comparação da fração de ferrita entre os processos convencional e dupla fusão pode ser observada no gráfico abaixo, comprovando a eficácia do processo GTAW-DF em manter a fração de fases equilibrada:

• A presença de nitretos de cromo foi minimizada na ZAC devido ao resfriamento controlado e à excelente proteção gasosa de ambos os lados da junta.

Ao entender e dominar o comportamento metalúrgico dos aços duplex, a engenharia de qualidade garante que as juntas soldadas mantenham o desempenho estrutural e a resistência química projetados para operar em condições industriais severas.