Efeito dos carbonetos de vanádio em aço baixa liga na fragilização pelo hidrogênio

Abstract

Normas e especificações técnicas com frequência limitam o nível máximo de dureza de aços operando sob proteção catódica em aplicações submarinas. O objetivo desta prática é tornar o aço menos susceptível à fragilização pelo hidrogênio. Recentemente, com o mesmo objetivo, armadilhas para o hidrogênio têm sido incorporadas à microestrutura de alguns aços para reduzir a mobilidade ou a difusividade deste elemento, mitigando pelo menos em parte os danos associados ao fenômeno de fragilização. Esta investigação busca avaliar o quanto eficiente é a adição de vanádio a um aço baixa liga para aumento da sua resistência à fragilização pelo hidrogênio. A estratégia é formar carbonetos nanométricos deste elemento que funcionariam como armadilhas para o hidrogênio. A fim de se testar esta hipótese, este trabalho contou com uma caracterização nano/microestrutural, permeação eletroquímica de hidrogênio e análises de dessorção térmica. A resistência à fragilização pelo hidrogênio foi avaliada diretamente por testes de tenacidade à fratura sob polarização catódica. Diferentes materiais foram avaliados aqui, como o aço comercial AISI 4330V em dois níveis de dureza, sendo um perfeitamente dentro do limite aceitável e outro acima deste limite. Adicionalmente, uma versão modificada deste mesmo aço com um maior teor de vanádio foi produzida em laboratório, versão esta projetada para aumento da resistência à fragilização pelo hidrogênio. Os resultados indicaram que embora os materiais com um nível de resistência mecânica superior apresentem uma acentuada capacidade de aprisionamento de hidrogênio e, consequentemente, um maior potencial de mitigar os prejuízos causados por este elemento, isso não se reflete diretamente na resistência à fragilização. É somente quando a fugacidade do hidrogênio é reduzida que de fato as armadilhas são suficientes eficientes para mitigar os efeitos da fragilização.

Standards and technical specifications often limit the maximum hardness of steels used under cathodic protection in subsea environments to reduce their susceptibility to hydrogen embrittlement. More recently, hydrogen-trapping features have been introduced into the microstructure of certain alloys to lower diffusivity and mitigate damage associated with this phenomenon. The present study evaluates the effectiveness of vanadium additions in a low-alloy steel as a strategy to enhance resistance by promoting the formation of nanoscale carbides that act as trapping sites. To this end, nano/microstructural characterization, electrochemical permeation, and thermal desorption analyses were performed, while fracture toughness under cathodic polarization was used to directly assess embrittlement resistance. The materials investigated included commercial AISI 4330V steel at two hardness levels—one within specification limits and another above—as well as a laboratory-modified version with increased vanadium content. Results show that although steels with higher strength exhibit a significantly greater trapping capacity and thus an apparent potential to mitigate hydrogen-related degradation, this does not directly translate into improved resistance. Only under conditions of reduced hydrogen fugacity did the traps prove sufficiently effective to alleviate embrittlement.