Porque é que o aço altera a sua estrutura em diferentes condições? Este artigo explora os cinco factores críticos que influenciam o ponto de início da martensite (Ms) no aço. Desde a composição química e a tensão de deformação até às taxas de arrefecimento, condições de austenitização e até campos magnéticos, estas variáveis ditam o comportamento de transformação do aço. Ao compreender estes factores, obterá informações sobre como otimizar as propriedades mecânicas do aço para várias aplicações. Continue a ler para descobrir como cada elemento afecta o desempenho do aço.
De um modo geral, o ponto Ms depende principalmente da composição química do aço, sendo o teor de carbono o fator mais significativo.
Com o aumento do teor de carbono no aço, a gama de temperaturas de transformação martensítica diminui, como mostra a Fig. 1.
Fig. 1 Efeito de Teor de carbono em Ms e Mf
Com o aumento do teor de carbono, as alterações do ponto Ms e do ponto Mf não são completamente consistentes, e o ponto Ms apresenta um declínio contínuo relativamente uniforme;
Quando o teor de carbono é inferior a 0,6%, o ponto Mf diminui mais significativamente do que o ponto Ms, alargando assim a gama de temperaturas de transformação martensítica (Ms Mf).
No entanto, quando o teor de carbono é superior a 0,6%, o ponto Mf diminui lentamente, e porque o ponto Mf caiu abaixo de 0 ℃, há mais resíduos austenite na estrutura à temperatura ambiente após arrefecimento.
O efeito do N no ponto Ms é semelhante ao do C.
Tal como o C, o N forma uma solução sólida intersticial no aço, que tem um efeito de reforço da solução sólida na fase γ e na fase α, mas especialmente na fase α, aumentando assim a resistência ao cisalhamento da transformação martensítica e aumentando a força motriz da transformação.
Ao mesmo tempo, o C e o N são também elementos que estabilizam uma fase.
Reduzem a temperatura de equilíbrio T0 da transição de fase γ → α', pelo que reduzem fortemente o ponto Ms.
Os elementos de liga comuns do aço podem reduzir o ponto Ms, mas o efeito não é tão significativo como o do carbono.
Apenas o Al e o Co aumentam o ponto Ms (como mostra a Fig. 2).
Fig. 2 Efeito dos elementos de liga no ponto Ms da ferro-liga
Os elementos que reduzem o ponto Ms estão dispostos pela ordem da sua intensidade de influência: Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, V, Ti.
Entre eles, W, V, TI e outros elementos formadores de carbonetos fortes existem principalmente sob a forma de carbonetos no aço e raramente são dissolvidos em austenite durante a têmpera e o aquecimento, pelo que têm pouco efeito no ponto Ms.
A influência dos elementos de liga no ponto Ms depende principalmente da sua influência na temperatura de equilíbrio T0 e o efeito de reforço na austenite.
Todos os elementos (como C) que reduzem drasticamente T0 a temperatura e o reforço da austenite reduzem drasticamente o ponto Ms.
Mn, Cr, Ni, etc. não só reduzem o T0 mas também aumentam ligeiramente a resistência austenítica, pelo que também reduzem o ponto Ms.
Al, Co, Si, Mo, W, V, Ti, etc. aumentam o T0 mas também aumentam a resistência da austenite em graus variáveis.
Então,
① Se o primeiro desempenhar um papel mais importante, o ponto Ms aumentará, como o Al e o Co;
② Se o último tiver um efeito maior, o ponto Ms será reduzido, como Mo, W, V, Ti;
③ Quando as duas funções são aproximadamente equivalentes, tem pouco efeito no ponto Ms, como o Si.
De facto, a interação entre a liga elementos em aço é muito complexo, e o ponto Ms do aço depende principalmente do ensaio.
Acredita-se geralmente que todos os elementos de liga que reduzem o ponto Ms também reduzem o ponto Mf.
Como mencionado anteriormente, a transformação martensítica será induzida quando a austenite for deformada plasticamente entre Md Ms.
Da mesma forma, a deformação plástica entre Ms Mf também pode promover a transformação martensítica e aumentar a transformação martensítica.
Em geral, quanto maior for a deformação e menor for a temperatura de deformação, maior será a deformação induzida martensite variáveis de transformação.
Uma vez que a transformação da martensite produzirá inevitavelmente uma expansão de volume, a tensão de compressão multidirecional impedirá a formação de martensite, reduzindo assim o ponto Ms.
No entanto, a tensão de tração ou a tensão de compressão unidirecional favorecem frequentemente a formação de martensite, o que faz aumentar o ponto Ms.
A influência da temperatura de aquecimento e do tempo de espera no ponto Ms é complexa.
O aumento da temperatura de aquecimento e o prolongamento do tempo de espera conduzem a uma maior dissolução do carbono e dos elementos de liga na austenite, o que reduzirá o ponto Ms, mas, ao mesmo tempo, provocará o crescimento de grãos de austenite, reduzirá os seus defeitos cristalinos e reduzirá a resistência ao cisalhamento durante a formação de martensite, aumentando assim o ponto Ms.
Em geral, se não houver alteração na composição química, ou seja, sob a condição de austenitização completa, o aumento da temperatura de aquecimento e o prolongamento do tempo de espera aumentarão o ponto Ms;
Em condições de aquecimento incompleto, o aumento da temperatura ou o prolongamento do tempo aumentará o teor de carbono e de elementos de liga na austenite, levando à diminuição do ponto Ms.
Sob a condição de que a composição da austenite seja constante, a resistência da austenite será aumentada e a resistência ao cisalhamento da transformação martensítica será aumentada quando o grão for refinado, o que reduzirá o ponto Ms.
No entanto, quando o refinamento do grão não afecta significativamente a resistência ao cisalhamento, tem pouco efeito no ponto Ms.
A influência da taxa de arrefecimento de têmpera no ponto Ms é mostrada na Fig. 3.
Fig. 3 Efeito da velocidade de arrefecimento no ponto Ms do aço Fe-0.5% C-2.05% NI
Quando a velocidade de têmpera é baixa, o ponto Ms permanece constante, formando um degrau inferior, que é equivalente ao ponto Ms nominal do aço.
Quando a velocidade de arrefecimento é muito elevada, ocorre outra etapa em que o ponto Ms permanece constante.
Entre as duas velocidades de arrefecimento acima referidas, o ponto Ms aumenta com o aumento da velocidade de arrefecimento.
Os fenómenos acima referidos podem ser explicados da seguinte forma:
Assume-se que a distribuição de C na austenite durante a transformação de fase é desigual e que a segregação ocorre em defeitos como as deslocações, formando uma "massa de ar atómica de C".
A dimensão desta "massa de ar" está relacionada com a temperatura.
A alta temperatura, a capacidade de difusão atómica é forte e a tendência de segregação do átomo de C é pequena, pelo que o tamanho da "massa de ar" também é pequeno.
No entanto, quando a temperatura diminui, a difusividade atómica diminui, a tendência dos átomos de C para se segregarem aumenta e o tamanho da "massa de ar" interior aumenta com a diminuição da temperatura.
Em condições normais de têmpera, estas "massas de ar" podem atingir um tamanho suficiente para reforçar a austenite.
No entanto, a velocidade de arrefecimento extremamente rápida inibe a formação de "massa de ar", o que leva ao enfraquecimento da austenite e à redução da resistência ao cisalhamento durante a transformação martensítica, elevando assim o ponto Ms.
No entanto, quando a taxa de arrefecimento é suficientemente elevada, a curvatura da "massa de ar" é restringida e o ponto Ms deixa de aumentar com o aumento da taxa de arrefecimento.
O teste mostra que quando o aço é temperado e arrefecido no campo magnético, o campo magnético aplicado induzirá a transformação da martensite.
Em comparação com a situação sem o campo magnético, o ponto Ms aumenta e a transformação da martensite à mesma temperatura aumenta.
No entanto, o campo magnético externo apenas faz subir o ponto Ms, mas não tem qualquer efeito no comportamento de transição de fase abaixo do ponto Ms.
Fig. 4 Efeito do campo magnético externo no processo de transformação da martensite
Como se mostra na Fig. 4, o campo magnético aplicado aumenta Ms para Ms' durante a têmpera e o arrefecimento, mas a tendência de aumento da variável rotacional é basicamente consistente com a que se verifica sem campo magnético.
Quando o campo magnético aplicado é retirado antes de a transformação de fase terminar, a transformação de fase regressa imediatamente ao estado em que o campo magnético não é aplicado e a quantidade final de transformação da martensite não se altera.
A razão pela qual o campo magnético externo afecta a transformação da martensite é que o campo magnético externo torna a fase de martensite com a força de saturação magnética máxima mais estável.
Fig. 5 Diagrama termodinâmico da subida do ponto Ms causada por um campo magnético externo
Como mostra a Fig. 5, a energia livre da martensite diminui com o campo magnético, enquanto o campo magnético tem pouco efeito na energia livre da austenite não ferromagnética.
Por conseguinte, a temperatura de equilíbrio bifásico T0 aumenta, e o ponto Ms também aumenta. Pode também considerar-se que o campo magnético externo compensa efetivamente parte da força motriz química com energia magnética, e a transformação martensítica pode ocorrer acima do ponto Ms devido à indução magnética.
Este fenómeno é muito semelhante à transformação martensítica induzida por deformação do ponto de vista termodinâmico.
Através da introdução desta questão, devemos ser claros sobre os cinco factores que afectam os pontos Ms.
Naturalmente, a revisão regular destes pontos de conhecimento também desempenhará um papel benéfico na nossa compreensão dos pontos de conhecimento.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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