Avaliação experimental e teórica da difusão e do aprisionamento de hidrogênio no aço AISI 4330 V

Abstract

O presente trabalho visa determinar a influência de diferentes níveis de dureza e condições microestruturais do aço AISI 4330 V nos fenômenos de difusão e aprisionamento de hidrogênio empregando uma abordagem experimental e teórica. O material é avaliado nas condições como temperada, temperada e revenida a 540 ºC e temperada e revenida a 660 ºC, permitindo que seja determinado o efeito de diferentes características microestruturais nestes fenômenos. O estudo é realizado com auxílio de caracterização microestrutural, ensaios de permeação eletroquímica de hidrogênio, análises de dessorção térmica e de extração a quente e por fusão. Os resultados são acoplados e interpretados com auxílio de um modelo numérico baseado na cinética de McNabb e Foster com variação na ocupação dos sítios aprisionadores de hidrogênio. Não é observado aprisionamento irreversível de hidrogênio em nenhuma das condições microestruturais avaliadas. Entretanto, existe uma diferença significativa entre as condições investigadas com relação ao aprisionamento reversível de hidrogênio. A capacidade de aprisionamento é maior para a condição temperada e revenida a 540 ºC e menor para a condição temperada e revenida a 660 ºC em relação à condição como temperada, as quais estão relacionadas com as características microestruturais de cada condição. Adicionalmente, as previsões obtidas a partir do modelo numérico são comparadas com abordagens analíticas usuais baseadas nas leis de Fick e no método de Choo e Lee e são criticamente discutidas. Uma diferença importante é observada no caso de maior ocupação das armadilhas, indicando que o uso de abordagens genéricas não é adequado para estes sistemas. O uso de uma abordagem mais rigorosa proporciona um melhor entendimento do fenômeno de aprisionamento e melhores estimativas de tempos de carregamento e teores de hidrogênio.

This work aims to determine the influence of different hardness levels and microstructural conditions of AISI 4330 V steel on hydrogen diffusion and trapping by employing an experimental and theoretical approach. The material is evaluated in the asquenched, quenched and tempered at 540 ºC, and quenched and tempered at 660 ºC conditions, which permits to determine the effect of different microstructural features on these phenomena. This study is carried out by performing microstructural characterization, electrochemical hydrogen permeation tests, thermal desorption analysis, and hot and melt extraction. The analyses are coupled and interpreted with a numerical model based on McNabb and Foster’s kinetics with varying degrees of trap occupancy. Irreversible hydrogen trapping is not important for the microstructural conditions here evaluated. However, a significant difference in reversible trapping is observed. The hydrogen trapping capacity is higher for the steel quenched and tempered at 540 ºC and lower for the material quenched and tempered at 660 ºC in comparison with the asquenched condition, which is related to the microstructural features of each heat treatment condition. In addition, the predictions calculated by the model are critically discussed and compared with those derived from usual approaches based on analytical solutions from Fick’s laws and Choo and Lee’s method. An important difference is observed in the case of high trap occupancy, indicating that the use of general analytical methods may not be adequate in this case. The use of more rigorous analysis provides a better understanding of the trapping phenomenon and improved predictions of charging times and contents.