T91 vs T92 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
T91 e T92 são dois aços ferríticos-martensíticos de cromo-molibdênio (e modificados por tungstênio) amplamente utilizados em equipamentos de geração de energia e petroquímica em alta temperatura. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre eles, impulsionado por compensações entre resistência ao fluência, soldabilidade, resistência à oxidação/corrosão e custo do material. Os contextos típicos de decisão incluem a seleção de material para tubos ou canos para condições avançadas de vapor, escolha de materiais para forjamento ou conexões para serviço em alta temperatura e equilíbrio entre custo de ciclo de vida e dificuldade de fabricação.
A diferença fundamental entre os dois é a estratégia de liga: T92 (também referenciado como P92 em alguns padrões) substitui uma quantidade significativa de tungstênio e ajusta os níveis de molibdênio e microligas para aumentar a resistência ao fluência e a estabilidade microestrutural em temperaturas mais altas, enquanto T91 depende mais do molibdênio com uma composição ligeiramente mais simples. Essa mudança de liga leva a uma dureza distinta, comportamento de têmpera e envelopes de aplicação que fazem com que essas classes sejam comumente comparadas no design de componentes e na aquisição de materiais.
1. Normas e Designações
- Designações comuns ASTM/ASME:
- T91: ASTM A387 Grau 91 (placa), A335 Grau P91 (tubo sem costura), A213 TP91 (tubulação) — comumente referenciado como Grau 91 / P91.
- T92: ASTM A387 Grau 92, A335 Grau P92, A213 T92 — comumente referenciado como Grau 92 / P92.
- Normas europeias e outras:
- EN: Aços equivalentes a 9Cr aparecem sob designações EN (mas equivalentes diretos um-para-um são limitados).
- JIS/GB: Designações locais existem para aços 9Cr com base em químicas semelhantes (frequentemente usados na Ásia).
- Classificação do aço: Ambos são aços de liga dentro da classe ferrítica-martensítica; não são aços inoxidáveis ou aços para ferramentas e são geralmente considerados aços de liga de alta resistência e resistência ao fluência (família HSLA/resistentes ao calor).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela de visão geral mostra intervalos típicos de composição para cada grau (peso %). Os limites exatos dependem do padrão/especificação e da forma do produto específicos.
| Elemento | T91 (intervalo típico, wt%) | T92 (intervalo típico, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.70 | 0.20–0.50 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.5–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.45–0.65 |
| W | — (traço) | 1.8–2.5 |
| V | 0.18–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | traço | traço |
| B | traço* | traço* |
| N | ~0.03–0.06 | ~0.03–0.06 |
*Boro (B) e nitrogênio (N) são elementos de controle; o boro é usado em níveis muito pequenos de ppm para influenciar a dureza e a fluência.
Como a liga afeta as propriedades: - O cromo (Cr) fornece resistência à oxidação e fortalece a matriz ferrítica. - O molibdênio (Mo) aumenta a resistência e a resistência à fluência por meio do endurecimento por solução sólida e formação de carbonetos; T91 tem mais Mo do que T92. - O tungstênio (W) em T92 substitui parcialmente o Mo, aumentando a resistência em alta temperatura e estabilizando carbonetos em temperaturas de serviço mais altas. - O vanádio (V) e o nióbio (Nb) formam carbonetos/nitretos estáveis que refinam o tamanho do grão e melhoram a resistência à fluência; eles também afetam a soldabilidade e o comportamento da ZTA. - O carbono controla o equilíbrio dureza/dutabilidade e a formação de martensita; os níveis são mantidos modestos para equilibrar a soldabilidade com a resistência.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas - Na condição normalizada e temperada, ambas as classes desenvolvem uma microestrutura martensítica temperada com alta densidade de carbonetos e carbonitretos finos (precipitados ricos em V e Nb). A estrutura em lâminas da martensita temperada fornece a combinação de resistência e tenacidade necessária para o serviço em alta temperatura. - T92 tende a desenvolver distribuições de carbonetos mais finas e estáveis em alta temperatura devido ao efeito de estabilização de carbonetos do tungstênio; isso contribui para uma melhor resistência à fluência e resistência ao têmpera na extremidade superior das temperaturas de projeto.
Resposta ao tratamento térmico - Normalização: Ambas as classes são tipicamente normalizadas (resfriamento ao ar) a partir de temperaturas na faixa de ~980–1050 °C (parâmetros do processo por padrão) para refinar o tamanho do grão de austenita anterior. - Resfriamento e têmpera: A têmpera após a normalização a temperaturas tipicamente entre 700–760 °C produz martensita temperada. Temperaturas de têmpera mais altas reduzem a dureza e aumentam a tenacidade, mas podem reduzir a resistência à fluência. - Rotas termo-mecânicas: O laminação controlada e o processamento termo-mecânico (para tubos/placas) refinam o tamanho do grão e a densidade de discordâncias; T92 se beneficia particularmente de um controle cuidadoso para obter distribuições ótimas de precipitados, pois seu conteúdo de W afeta a cinética de precipitação.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico e da forma do produto. A tabela abaixo fornece intervalos típicos representativos para condições normalizadas e temperadas comumente usadas em componentes de usinas de energia.
| Propriedade (típica, condição N&T) | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Limite de escoamento (offset de 0.2%) | ~350–450 MPa (mínimos típicos por especificação ~415 MPa) | ~400–550 MPa (intervalos superiores mais altos em muitos casos) |
| Resistência à tração | ~560–700 MPa | ~600–750 MPa |
| Elongação (A%) | ~18–25% | ~15–22% |
| Tenacidade ao impacto (Charpy-V, temperatura ambiente) | moderada; depende do entalhe e do tratamento térmico (por exemplo, dezenas de J a >40 J) | comparável a ligeiramente inferior em algumas condições devido à maior dureza; depende da têmpera |
| Dureza (HRC/HB) | moderada (temperada) | tendência ligeiramente maior na mesma têmpera devido ao W |
Interpretação: - T92 é geralmente projetado para fornecer maior resistência à fluência e melhor retenção de resistência em temperaturas elevadas do que T91, em detrimento de uma dureza um pouco mais alta e, em alguns casos, tenacidade ou ductilidade ligeiramente reduzidas quando comparadas em condições de têmpera equivalentes. - Para componentes projetados para o mesmo regime de têmpera, T92 frequentemente apresenta maior resistência à tração e à fluência, enquanto T91 pode oferecer uma ductilidade um pouco melhor e processamento mais fácil em alguns cenários de fabricação.
5. Soldabilidade
Dureza e considerações de soldagem - Tanto T91 quanto T92 requerem procedimentos de soldagem controlados: consumíveis de baixo hidrogênio, pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) para temperar a ZTA e aliviar tensões residuais. - Devido à maior dureza (W em T92 aumenta a dureza), T92 pode exigir controle mais rigoroso de pré-aquecimento e PWHT para evitar trincas de martensita na ZTA. Elementos de microliga (V, Nb) e teor de carbono também aumentam a suscetibilidade a ZTA dura e trincas a frio se o hidrogênio estiver presente.
Índices de soldabilidade úteis (interpretação qualitativa) - Um índice empírico comumente usado é o equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Valores mais altos de $CE_{IIW}$ indicam maior dureza e maior necessidade de pré-aquecimento/PWHT. - Um índice mais abrangente é $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ ajuda a prever a suscetibilidade a trincas a frio; valores mais altos indicam maior risco.
Resultado qualitativo: - Ambas as classes requerem PWHT; T92 frequentemente merece pré-aquecimento mais alto e cronogramas de PWHT cuidadosos, pois o tungstênio e o conteúdo ajustado de Mo aumentam ligeiramente $CE$ e $P_{cm}$. A qualificação do procedimento de soldagem e o controle de hidrogênio são obrigatórios para componentes que contêm pressão.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, T91 ou T92, é inoxidável; são aços ferríticos com resistência moderada à oxidação em alta temperatura devido ao Cr. Para vapor e ambientes oxidantes em alta temperatura, eles desenvolvem camadas de óxido protetoras, mas são suscetíveis à oxidação do lado do vapor, carbonetação e sulfidização, dependendo do serviço.
- As estratégias de proteção de superfície incluem revestimentos (tintas de alta temperatura, revestimentos de alumineto), revestimento interno para meios corrosivos e inspeção rotineira. Para corrosão ambiental, pintura protetora padrão ou metalização é típica; galvanização não é geralmente usada para componentes do lado do vapor em alta temperatura.
- PREN (número equivalente de resistência à picada) não é aplicável para esses aços não inoxidáveis; para graus inoxidáveis, a fórmula $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ é usada, mas não é relevante para T91/T92.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: Ambos são mais difíceis de usinar do que aços de carbono simples. T92, com maior teor de tungstênio e uma tendência a reter dureza, pode ser ligeiramente mais difícil para as ferramentas e requerer velocidades de corte reduzidas e ferramentas robustas.
- Formabilidade: A conformação a frio e a dobra são limitadas; os componentes são geralmente formados em uma condição normalizada e, em seguida, temperados. O estampagem profunda não é típico; a conformação a quente seguida de normalização e têmpera é preferida para grandes forjados.
- Acabamento: Moagem e polimento são viáveis, mas as ferramentas se desgastam mais rapidamente do que com aços de liga mais baixos. O tratamento térmico após a conformação e soldagem é essencial para restaurar as propriedades martensíticas temperadas desejadas.
8. Aplicações Típicas
| T91 (usos típicos) | T92 (usos típicos) |
|---|---|
| Tubos de caldeira, cabeçotes, tubulação de vapor em usinas convencionais/avançadas operando em temperaturas de vapor moderadas a altas | Tubos de superaquecedor e recalentador, cabeçotes, tubulação de vapor e componentes para usinas ultra-supercríticas/avançadas onde maior resistência à fluência é necessária |
| Cabeçotes, cotovelos e conexões para usinas com temperaturas de projeto de até ~600 °C | Componentes para condições de vapor em temperaturas mais altas (por exemplo, faixa de 600–650 °C) e requisitos de vida útil de fluência mais longos |
| Tubulação de trocador de calor, paredes de forno para serviço em alta temperatura moderada | Componentes A-USC de nova construção, peças fundidas/forjadas de seção pesada onde a resistência à fluência elevada é priorizada |
| Peças de reposição em sistemas legados onde fornecimento, custo e facilidade de fabricação são importantes | Componentes críticos de longa vida onde a justificativa de custo de ciclo de vida favorece um custo de material mais alto |
Racional de seleção: - Escolha T91 para desempenho comprovado em muitas aplicações de usinas de energia em temperaturas ligeiramente mais baixas, onde a simplicidade de fabricação e o custo do material mais baixo são desejáveis. - Escolha T92 quando a temperatura de projeto, a vida útil de fluência e a retenção de resistência a longo prazo em temperatura elevada forem a prioridade, e quando os processos de aquisição/fabricação puderem lidar com requisitos de soldagem e tratamento térmico mais rigorosos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: T92 é tipicamente mais caro do que T91 devido ao tungstênio adicionado e controles de processamento mais rigorosos. O prêmio varia de acordo com o mercado e a forma do produto.
- Disponibilidade: T91 está em serviço há mais tempo e historicamente tem uma disponibilidade mais ampla em tubos, canos, placas e forjados. A disponibilidade de T92 aumentou com a demanda por usinas de vapor avançadas, mas ainda pode ser mais restrita em alguns tamanhos de produto e prazos de entrega.
- Formas de produto: Ambas as classes estão disponíveis como tubos, canos, placas, forjados e conexões sem costura e soldadas; a disponibilidade e os prazos de entrega devem ser confirmados com os fornecedores para aquisições críticas.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Soldabilidade (dificuldade do procedimento) | Boa com procedimentos qualificados de baixo hidrogênio; ligeiramente mais fácil que T92 | Mais exigente devido à maior dureza; pré-aquecimento/PWHT mais rigoroso |
| Equilíbrio resistência–tenacidade | Forte, boa tenacidade em têmperas padrão | Maior resistência em alta temperatura e resistência à fluência; troca marginal na ductilidade/tenacidade se não processado cuidadosamente |
| Custo | Mais baixo (geralmente) | Mais alto (geralmente) |
Recomendação: - Escolha T91 se você precisar de um aço 9Cr resistente à fluência bem estabelecido e econômico para serviço de vapor em alta temperatura, onde as temperaturas de operação e a vida útil de fluência necessária estão dentro do envelope comprovado do Grau 91, e quando a simplicidade de fabricação e a disponibilidade são importantes. - Escolha T92 se o projeto exigir resistência superior à fluência a longo prazo e estabilidade microestrutural na faixa superior do serviço em alta temperatura (por exemplo, condições de vapor avançadas ou ultra-supercríticas), e se você puder acomodar requisitos mais rigorosos de soldagem, tratamento térmico e aquisição.
Nota final: Ambas as classes requerem especificação cuidadosa do tratamento térmico, qualificação do procedimento de soldagem e inspeção para alcançar um desempenho confiável e duradouro. Para componentes críticos em alta temperatura, realize testes de fluência em nível de componente, avaliação da capacidade do fornecedor e análise de custo de ciclo de vida como parte do processo de seleção.