O que torna a martensite tão vital no reforço do aço, e como é que as suas diferentes formas afectam as suas propriedades? Este artigo explora as diversas morfologias da martensite, incluindo ripa, floco, borboleta e ε' martensite, e as suas características únicas. Ao compreender estas variações, ficará a saber como cada tipo influencia as propriedades mecânicas do aço, essenciais para aplicações que requerem resistência e tenacidade específicas.
A estrutura de martensite obtida por têmpera desempenha um papel fundamental na transmissão de resistência e tenacidade ao aço.
No entanto, devido a variações no tipo, na composição e nas condições de tratamento térmico do aço, a morfologia, a estrutura interna fina e a suscetibilidade a microfissuras da martensite temperada podem variar significativamente.
Estas alterações têm um impacto profundo nas propriedades mecânicas da martensite.
Por conseguinte, é imperativo ter um conhecimento profundo das características morfológicas da martensite e compreender os diversos factores que influenciam a sua morfologia.
A morfologia e a estrutura fina da martensite foram amplamente estudadas utilizando a microscopia eletrónica de transmissão de película fina.
A investigação revelou que, embora a morfologia da martensite no aço possa ser diversa, as suas características podem ser tipicamente divididas nas seguintes categorias:
A martensite em ripas é uma estrutura de martensite comum que se forma em aço de baixo a médio carbono, aço maraging, aço inoxidável e outras ligas à base de ferro.
A Figura 1 ilustra a estrutura típica da martensite em ripas no aço macio.
Fig. 1 Tira de martensite 100X de baixo carbono Aço de liga leve (0,03% C, 2% Mn)
A microestrutura de certos aços é constituída por numerosos grupos de ripas, razão pela qual é designada por martensite de ripas.
Em alguns casos, a ripa não é facilmente exposta ou gravada e, em vez disso, aparece em blocos, levando ao seu nome alternativo, martensite em blocos.
Uma vez que a subestrutura primária deste tipo de martensite é a deslocação, é normalmente referida como martensite de deslocação.
A martensite de aglomerado é composta por vários grupos de tiras, sendo cada grupo de tiras constituído por várias tiras de tamanho aproximadamente igual dispostas aproximadamente paralelas umas às outras numa determinada direção.
A Figura 2 destaca a deslocação de alta densidade dentro das ripas que é caraterística da martensite de ripas.
Fig. 2 Microestrutura de transmissão da película fina de baixo aço de liga de carbono (0,03% C, 2% Mn) 20000X
Adicionalmente, podem existir gémeos de transformação de fase dentro das ripas, mas são tipicamente localizados e não estão presentes em quantidades significativas, nem são a forma primária de estrutura fina.
A relação de orientação dos cristais entre a martensite em ripas e a sua matriz austenite é tipicamente referida como a relação Kurdjumov-Sachs (K-S), sendo o plano de hábito (111)γ.
No entanto, no caso do aço inoxidável 18-8, o plano de hábito da martensite em ripas é (225)γ.
A figura 3 ilustra as características cristalográficas da microestrutura da martensite em ripas, tal como determinada pela investigação.
Fig. 3 Diagrama esquemático das características cristalográficas da microestrutura da martensite em ripas
Uma grande área composta por feixes de martensite em ripas dispostos em paralelo é designada por grupo de ripas e é denotada por A.
Um único grão de austenite primária pode conter vários grupos de ripas, variando tipicamente entre 3 e 5.
Cada grupo de tiras pode ser dividido em várias regiões paralelas, como a B mostrada na figura.
Nalguns casos, quando certas soluções são utilizadas para a corrosão, apenas o limite do grupo de ripas é visível, resultando numa aparência em bloco da microestrutura, daí o nome martensite em bloco.
Quando são utilizadas técnicas de corrosão a cores, tais como 100 cc de HCl + 5 g de CaCl2 + 100cc CH3Na solução CH, podem observar-se tons de preto e branco no grupo das ripas.
As regiões com a mesma tonalidade correspondem a ripas de martensite com a mesma orientação e são designadas por vigas homotrópicas.
De acordo com a relação de orientação de Kurdjumov-Sachs (K-S), a martensite pode apresentar 24 orientações diferentes na austenite de origem, incluindo seis orientações que podem gerar martensite em ripas em paralelo (ver Figura 4).
Fig. 4 Martensite (111) no aço γ Orientação possível ao formar no plano
Um feixe isopático refere-se a um feixe de ripas que foram transformadas a partir de uma das ripas.
Vários feixes paralelos e colineares combinam-se para formar um grupo de faixas.
Alguns investigadores sugerem que, dentro de um grupo de ripas, apenas dois grupos podem alternar as suas posições.
Por conseguinte, um grupo de ripas é tipicamente composto por dois grupos de feixes de ripas alinhados que alternam entre si, e podem também alternar entre si em fronteiras de grãos de grande ângulo. No entanto, há casos em que o grupo de ripas é composto principalmente por um único tipo de feixe homotrópico, como ilustrado em C na Figura 3.
Um feixe alinhado é constituído por tiras dispostas em paralelo, como ilustrado em D na Figura 3.
Este cenário pode ser observado através de microscopia eletrónica, como demonstrado na Figura 5.
Fig. 5 Algumas microestruturas no feixe isotrópico de martensite em ripas da liga Fe-0.2% C (micrografia eletrónica de transmissão)
De acordo com os resultados da pesquisa na liga Fe-0.2% C, a distribuição da largura da tira é uma distribuição lognormal, como mostrado na Fig. 6.
Fig. 6 Distribuição de tiras de película e tecnologia de réplica
Como se observa na figura, a largura da ripa com maior frequência de ocorrência varia entre 0,15 e 0,20μm, e a curva de distribuição é fortemente inclinada para ripas de menor dimensão. No entanto, uma pequena proporção de ripas tem uma largura de 1 a 2μm.
A Figura 7 ilustra que as ripas maiores estão frequentemente distribuídas por todo o feixe de ripas, o que é uma caraterística fundamental da microestrutura do feixe de ripas.
Fig. 7 Microestrutura da martensite em ripas da liga Fe-0.2% C (micrografia eletrónica de transmissão)
Os resultados experimentais indicam que a mudança da temperatura de austenitização altera o tamanho de grão da austenite, mas tem um impacto mínimo na distribuição da largura da ripa.
No entanto, o tamanho do grupo de ripas aumenta à medida que o tamanho do grão de austenite aumenta, enquanto a relação entre os dois permanece aproximadamente constante. Assim, o número de grupos de ripas gerados num grão austenítico permanece tipicamente inalterado.
As medições por microscopia eletrónica de película fina mostram que a área do limite da ripa em unidade de volume de martensite é de aproximadamente 65000 cm²/cm³.
A área das fronteiras cristalinas de pequeno ângulo no feixe de ripas é cerca de 5 vezes superior à das fronteiras cristalinas de grande ângulo.
Na liga Fe-Cr-Ni baseada no aço inoxidável 18-8, tanto a martensite de ripas como a ε'-martensite (rede hexagonal estreitamente empacotada) podem ser geradas, resultando numa microestrutura que difere significativamente da da liga Fe-C, como se mostra na Figura 8.
Fig. 8 Microestrutura da martensite de ripas da liga Fe-15% Cr-12&Ni (Ms=- 90 °) (água régia, corrosão por glicerina)
A estrutura não contém grupos de ripas ou feixes de simposição; em vez disso, é criada como um grupo de ripas finas que envolve uma folha de ε'-martensite (como mostrado nas tiras paralelas na figura).
No entanto, a estrutura microscópica eletrónica desta martensite em ripas é idêntica à encontrada nas ligas Fe-C e Fe-Ni.
Outra estrutura típica da martensite nas ligas da série do ferro é a martensite lamelar, que se encontra habitualmente nos aços de alto e médio carbono temperados e nas ligas com elevado teor de Ni Fe Ni.
A estrutura lamelar típica da martensite em aço de alto carbono é apresentado na Fig. 9.
Fig. 9 Estrutura de têmpera sobreaquecida do aço T12A 400X (aquecido a 1000 ℃, temperado com água)
Este tipo específico de martensite é conhecido por vários nomes, tais como martensite lenticular, devido à sua forma biconvexa semelhante a uma lente. É também designada por martensite acicular ou martensite em folha de bambu, porque quando observada ao microscópio em intersecção com a superfície de moagem da amostra, aparece como estruturas em forma de agulha ou de folha de bambu.
A subestrutura da martensite lamelar é composta principalmente por gémeos, pelo que também é designada por martensite gémea. A microestrutura da martensite lamelar é caracterizada pelo facto de as lamelas não serem paralelas entre si.
Quando um grão austenítico com composição uniforme é arrefecido a uma temperatura ligeiramente inferior à Ms, a primeira martensite formada percorrerá todo o grão austenítico e dividi-lo-á em duas metades. Isto limita o tamanho da martensite formada posteriormente, resultando em tamanhos variáveis de martensite lamelar. Como se mostra na Figura 10, os flocos de martensite formados mais tarde tendem a ser mais pequenos.
Fig. 10 Microestrutura da martensite lamelar
O tamanho dos flocos depende quase inteiramente do tamanho do grão da austenite.
A martensite escamosa pode ser vista frequentemente com uma crista média óbvia (ver Fig. 11).
Fig. 11 Martensita em flocos (com cume médio óbvio, o aço T12 é cementado a 1200 ℃ por 5 horas e temperado a 180 ℃)
Atualmente, a regra de formação das cristas médias não está bem definida.
O plano de hábito da martensite lamelar é (225) γ ou (259) γ. A relação de orientação com a fase-mãe é a relação Kurdjumov-Sachs (K-S) ou a relação Xishan.
Como se pode ver na Figura 12, a martensite contém numerosas linhas finas que são cristais de transformação Luan, enquanto as nervuras finas com faixas na parte central da junta são cristas médias.
Fig. 12 Estrutura TEM da martensite lamelar
A existência de um cristal de transformação Lüders é uma caraterística importante da martensite lamelar.
O espaçamento dos cristais de Lüders é de aproximadamente 50 Å e normalmente não se estende até ao limite da martensite.
O bordo da folha apresenta um conjunto complexo de deslocações, que se acredita serem deslocações em parafuso dispostas regularmente na direção [111] α'.
O cristal de transformação de Lüders na martensite lamelar é geralmente um cristal de Lüders (112)α'.
No entanto, na liga Fe-1.82% C (c/a=1,08), um cristal de Lüders (110) misturar-se-á com um cristal de Lüders (112)α'.
Dependendo da subestrutura interna da martensite lamelar, esta pode ser dividida na zona de geminação de transformação (parte média) centrada na crista média e na zona sem geminação (na parte circundante da lamela, existem deslocações).
A proporção de zonas gémeas varia com a composição da liga.
Nas ligas Fe-Ni, quanto maior o teor de Ni (menor a Ponto), maior será a zona gémea.
De acordo com a investigação sobre a liga Fe-Ni-C, mesmo para uma liga com a mesma composição, a proporção da zona gémea aumenta com a diminuição do ponto Ms (tal como causado pela alteração da temperatura de austenitização).
No entanto, a densidade dos gémeos de transformação quase não se altera e a espessura dos gémeos mantém-se em cerca de 50 Å.
A martensite em ripas e a martensite lamelar são as duas morfologias mais básicas da martensite nos aços e ligas.
As suas características morfológicas e cristalográficas estão listadas na Tabela 1.
Tabela 1 Tipos e características da martensite nas ligas de ferro-carbono
| Características | Martensite de ripas | Martensite lamelar | |
| Superfície habitual | （111） γ | （225） γ | （259） γ |
| relação de orientação | Relação K-S (111) γ lll（110） α '【110】 γ 【111】 α.' | Relação K-S (111) γ lll（110） α '【110】 γ 【111】 α.' | Relação Xishan (111) yll (110) α.' 【211】 γ ll【110】 α.' |
| Temperatura de formação | M>350℃ | M≈200~100℃ | M.<100℃ |
| Composição da liga% C | <0.3 | 1~1.4 | 1.4~2 |
| Fechado a 0,3~1 | |||
| Histomorfologia | As ripas estão normalmente dispostas em grupos paralelos desde o limite do grão de austenite até ao interior do grão, e a largura da ripa é normalmente 0,1~0,2 μ, comprimento inferior a 10 μ. Um grão austenítico contém vários grupos de ripas. Existem limites de grãos de pequeno ângulo entre corpos de ripas e limites de grãos de grande ângulo entre grupos de ripas. | A folha de lente convexa (ou agulha, folha de bambu) é ligeiramente mais espessa no meio, a primária é mais espessa e mais comprida, e atravessa os grãos de austenite, enquanto a secundária é mais pequena. Entre as lamelas primárias e o limite dos grãos de austenite, o ângulo entre as lamelas é grande e estas colidem umas com as outras para formar microfissuras. | Na mesma esquerda, existe uma crista média no centro da fatia, e são comuns fatias finas com distribuição em ziguezague entre as duas fatias primárias. |
| Subestrutura | Rede de deslocações (emaranhamento), a densidade de deslocações aumenta com teor de carbononormalmente (0,3~0,9) × Uma pequena quantidade de gémeos finos pode por vezes ser vista a 1012cm/cm3. | Os gêmeos finos com uma largura de cerca de 50 ｜ formam as regiões Lie e gêmeas de transformação com a crista média como o centro. À medida que o ponto M diminui, a região gêmea de transformação aumenta e a borda da folha é uma matriz de deslocamento complexa. O plano gêmeo é (112) α ※, a direção gêmea é [11I] α ' | |
| Processo formativo | Nucleação por arrefecimento, novas folhas de martensite (ripas) são produzidas apenas durante o arrefecimento | ||
| A velocidade de crescimento é baixa, e uma ripa é formada em cerca de 10-4s | A velocidade de crescimento é elevada, e uma folha é formada em cerca de 10-7s | ||
| Não há transformação "explosiva", e a taxa de transformação de resfriamento é de cerca de 1% / ℃ em menos de 50% da quantidade de transformação | Quando M<0 ℃, há uma transformação "explosiva", e a nova folha de martensita não produz uniformemente com a queda de temperatura, mas por causa do efeito de auto-desencadeamento, ela se forma em grupos (em forma de "Z") continuamente e maciçamente em uma faixa de temperatura muito pequena, acompanhada por um aumento de temperatura de 20 ~ 30 ℃ | ||
3.1 Martensite borboleta
Nas ligas Fe Ni ou Fe Ni C, quando a martensite se forma dentro de um determinado intervalo de temperatura, aparece uma martensite com uma morfologia especial, como mostra a Fig. 13.
Fig. 13 Microestrutura da Martensite de Prato
A forma tridimensional desta martensite é uma barra delgada e a sua secção é em forma de borboleta, pelo que é designada por martensite borboleta.
Descobriu-se que a martensita borboleta se forma na liga Fe-31% Ni ou Fe-29% Ni-0.26% C dentro da faixa de temperatura de 0 a -60 ℃.
Estudos de microscopia eletrónica confirmaram que a sua subestrutura interna é composta por deslocações de alta densidade, sem gémeos visíveis.
A relação cristalográfica com a fase mãe geralmente adere à relação K-S. A martensita borboleta se forma principalmente entre 0 e -20 ℃, coexistindo com a martensita lamelar entre -20 e -60 ℃.
Pode observar-se que, para os dois sistemas de ligas acima mencionados, a gama de temperaturas de formação da martensite borboleta se situa entre a gama de temperaturas de formação da martensite em ripas e da martensite lamelar.
A junção de duas asas de martensite borboleta é muito semelhante à crista média da martensite lamelar. Assume-se que a martensite (provavelmente geminada) que cresce a partir daqui para os dois lados, ao longo de diferentes orientações, apresentará a forma de borboleta.
A parte de junção da martensite borboleta é semelhante à parte de junção de duas peças de martensite formadas por uma explosão, mas não contém qualquer estrutura gémea, o que é diferente da martensite em folha.
Do ponto de vista da estrutura interna e da microestrutura, a martensite borboleta é semelhante à martensite em ripas, mas não ocorre em filas.
Atualmente, muitos aspectos da martensite borboleta ainda não são claros. No entanto, a sua morfologia e propriedades situam-se entre a martensite em ripas e a martensite lamelar, tornando-a um tópico interessante a explorar.
3.2 Martensite escamosa
Esta martensite foi descoberta numa liga Fe-Ni-C que apresenta um ponto Ms excecionalmente baixo. Aparece como uma banda muito fina em forma tridimensional, com as bandas a cruzarem-se entre si e a apresentarem torções, ramificações e outras formas únicas, como se mostra na Figura 14c.
Fig. 14 Liga Fe-Ni-C arrefecida até ao ponto Ms
Microestrutura da martensite formada à mesma temperatura
A estrutura microscópica eletrónica desta martensite é mostrada na Fig. 15.
Fig. 15 Estrutura microscópica eletrónica da martensite lamelar (Fe-31%, Ni0.23% C, Ms=- 190 ℃, arrefecida a - 196 ℃)
O material em análise é uma martensite Luan completa, constituída por (112) cristais α' Luan sem crista central, o que a distingue da martensite lamelar.
Foi observado que a morfologia da martensite do sistema Fe-Ni-C muda de lenticular para lamelar à medida que a temperatura de formação diminui.
Na liga Fe-Ni-C com um teor de carbono de aproximadamente 0,25% e Ms = -66 ℃, a estrutura é martensita lamelar explosiva, como representado na Figura 14a.
À medida que Ms diminui para -150 ℃, uma pequena quantidade de martensita lamelar começa a aparecer, como mostrado na Figura 14b.
No ponto em que Ms cai para -171 ℃, toda a estrutura é composta de martensita lamelar (ver Figura 14c).
Verificou-se que a temperatura de transição de chapa lente para chapa fina aumenta com o aumento do teor de carbono.
Quando o teor de carbono atinge 0,8%, a zona de formação de martensita lamelar é inferior a -100 ℃.
À medida que a temperatura de transformação diminui, durante a transformação da martensite lamelar, não só se verifica a formação contínua de novas folhas de martensite, como também o espessamento das folhas de martensite antigas.
O espessamento das folhas de martensite antigas não é visível na martensite lamelar.
3.3 ε' Martensite
Todas as martensitas mencionadas acima têm uma estrutura cúbica centrada no corpo (α') ou quadrada centrada no corpo.
Em ligas com baixa energia de falha de empilhamento na austenite, pode também formar-se martensite ε' de estrutura hexagonal densa.
Este tipo de martensita é predominante em ligas com alto teor de Mn-Fe-C.
No entanto, o aço inoxidável 18-8 representado pelas ligas Fe-Cr-Ni coexiste frequentemente com α'-martensite.
A martensita ε' também é fina, como mostra a Figura 16.
Ao longo da superfície (111) γ, widmanstatten com uma subestrutura caracterizada por numerosas falhas de empilhamento.
Fig. 16 Microestrutura de martensite da liga Fe-16.4% Mn (Corrosão por álcool nitrato)
A presença de elementos de liga no aço tem um impacto crucial na forma da martensite.
Um exemplo comum é o facto de a forma da martensite nas ligas Fe-C e Fe-Ni mudar de ripada para floculada à medida que o teor de liga aumenta. Por exemplo, na liga Fe-C, abaixo de 0,3% de carbono, a martensita tem forma de ripa, enquanto que acima de 1% de carbono ela se torna em forma de floco. Na faixa de 0,3% a 1,0% de carbono, ambas as formas de martensita podem estar presentes.
No entanto, diferentes fontes podem apresentar concentrações inconsistentes que desencadeiam a transição da martensite em ripas para a martensite lamelar. Esta variabilidade está relacionada com o efeito da velocidade de arrefecimento, com uma velocidade de arrefecimento mais elevada a conduzir a uma concentração mínima de carbono mais baixa necessária para a formação de martensite dupla.
A Figura 17 ilustra o impacto do teor de carbono no tipo de martensite, no ponto Ms e na quantidade de austenite retida em ligas Fe-C.
Fig. 17 Efeito do teor de carbono no ponto Ms, teor de martensite em ripas e austenite retida teor (aço-carbono temperado à temperatura ambiente)
A figura demonstra que o aço com um teor de carbono inferior a 0,4% quase não contém austenite retida.
À medida que o teor de carbono aumenta, o ponto Ms diminui enquanto a quantidade de martensite de cristal Luan e austenite retida aumenta.
A Tabela 2 resume a relação entre a morfologia da martensite e a composição das ligas binárias de ferro.
Tabela 2 Morfologia da martensite das ligas binárias de Fe
|
Sistema de liga metálica |
Martensite de ripas |
Martensite lamelar |
Martensite | |||||
|
Composição da liga (%) |
Ponto M (℃) |
Composição da liga (%) |
Ponto M (℃) |
Composição da liga (5%) | ||||
|
Zona Y alargada |
Fe-C Fe-N Fe-Ni Fe-Pt Fe-Mn Fe-Ru Fe-Ir Fe-Cu Fe-Co |
<1.0 <0.7 <29 <20.5 <14.5 7.5~19 20~48 2~6 0~1 1~24 |
700~200 700~350 700~25 700~400 700~150 600~200 550~40 – 700~620 620~800 |
0.6~1.95 0.7~2.5 29~24 24.6 – – – – – – |
500~40 350~100 25~195 -30 – – – – |
– – – – 14.5~27 11~17 35~53 – – – | ||
|
Área Y reduzida |
Fe-Cr Fe-Mo Fe-Sn Fe-V Fe-W |
<10 <1.94 <1.3 <0.5 <0.3 |
700~260 700~180 |
– – – – – |
– – – – – |
– – – – – | ||
A tabela demonstra que todos os elementos de liga na zona γ são transformados em martensite de ripas.
À medida que a concentração de elementos de liga na zona P expandida aumenta, o ponto Ms geral diminui significativamente, acompanhado por uma alteração na morfologia da martensite.
Por exemplo, em ligas binárias como Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt e outras, a morfologia da martensite transforma-se de ripado em floco com o aumento do teor do elemento de liga.
No entanto, a adição de Mn, Ru e Ir pode reduzir significativamente a energia de falha de empilhamento da austenite, resultando numa alteração da morfologia da martensite de ripado para martensite ε' com um aumento do teor de elementos de liga em ligas de ferro binárias.
As ligas Fe-Cu e Fe-Co são excepções entre os elementos da zona γ expandida.
Embora o Cu faça parte do elemento da zona Y em expansão, a pequena quantidade de solução sólida em Fe conduz a um ponto Ms relativamente estável, pelo que apresenta a mesma tendência que as ligas da zona Y em contração.
A liga Fe-Co é única em comparação com outras ligas. Com um aumento do teor de Co, o ponto Ms aumenta, tornando-a num caso especial.
Em geral, existem vários tipos de ligas metálicas elementos em açoMas se um terceiro elemento for adicionado à liga Fe-C ou Fe-Ni, uma pequena quantidade não alterará significativamente a morfologia da martensite em relação à da liga binária.
Como mencionado anteriormente, as ligas Fe-Ni-C podem formar martensite em ripa, borboleta, chapa lente e chapa fina. A relação entre a temperatura de formação destas quatro formas de martensite e o teor de carbono e o ponto Ms é mostrada na Figura 18.
Fig. 18 Relação entre a morfologia da martensite, o teor de carbono e o ponto Ms da liga Fe-Ni-C
A figura mostra que a temperatura de formação da martensite lenticular e lamelar aumenta à medida que o teor de carbono aumenta.
A figura também destaca a área de formação da martensita borboleta com uma área hachurada.
A Tabela 3 resume a relação entre a morfologia, a subestrutura e as características cristalográficas da martensite em ligas à base de ferro.
Quadro 3 Características do sistema Fe Martensite
| Superfície habitual | relação de orientação | Morfologia da martensite | Segundo tipo de cisalhamento | Subestrutura na martensite | M. Ponto | Energia de falha da austenite | Grau de aço |
| （111） （225）（259） | K-S K-S Xishan | Ripa | Deslizamento duplo | Deslocação | Elevado médio baixo | Baixa baixo ou médio elevado | Cobre com baixo teor de carbono, aço com elevado teor de Mn, aço com baixo teor de Ni; aço de alto e médio carbono, aço inoxidável, aço de Ni médio; aço de alto teor de Ni, aço de carbono extremamente elevado |
No aço, a martensite com um teor de carbono inferior a 0,20% é geralmente considerada como tendo uma estrutura de rede cúbica centrada no corpo. A martensite com um teor de carbono superior a 0,20% é considerada como tendo uma estrutura de rede tetragonal centrada no corpo.
Acredita-se geralmente que a martensite cúbica centrada no corpo em aço de baixo carbono é equivalente à martensite de deslocação, enquanto a martensite tetragonal centrada no corpo é equivalente à martensite dupla de alto carbono. No entanto, nas ligas Fe-Ni, a martensite dupla também pode ter uma estrutura cúbica centrada no corpo.
Como resultado, a relação entre a estrutura cristalina e a subestrutura permanece incerta.
A discussão acima abrange a lei da mudança na morfologia da martensita devido a uma mudança na composição da liga.
Atualmente, há muito debate sobre os factores que influenciam esta mudança e não existe um consenso claro.
Acredita-se amplamente que as mudanças morfológicas são essencialmente mudanças na subestrutura, e as perspectivas comuns incluem:
Os defensores deste ponto de vista acreditam que a morfologia da martensite depende da temperatura Ms.
Eles afirmam que, nas ligas Fe-C, um aumento no teor de carbono resulta numa diminuição da temperatura Ms.
A temperaturas abaixo de uma certa faixa (300-320 ℃), torna-se mais fácil formar gêmeos de transformação e martensita lamelar resultante.
A Tabela 4 descreve a relação entre a morfologia da martensite, as características cristalinas do aço ao carbono e o teor de carbono e a temperatura Ms.
Tabela 4 Relação entre a morfologia da martensite e as características cristalográficas do aço ao carbono e o teor de carbono e o ponto Ms do aço
| Teor de carbono (%) | Estrutura cristalina | Relação de orientação | Superfície habitual | M. Ponto (℃) | Morfologia da martensite |
| <0.3 | Corpo centrado cúbico ou quadrado | Relação K-S | （111） | >350 | Martensite de ripas |
| 0.3~1.0 | Quadrado do centróide | Relação K-S | Tira (111), folha (225) | 350~200 | Martensite mista |
| 1.0~1.4 | Quadrado do centróide | Relação K-S | （225） | <200 | Martensite em flocos com gémeos parciais e deslocações na subestrutura |
| 1.4~1.8 | Corpo - Coração Quadrado | Relação Xishan | （259） | <100 | Martensite lamelar típica com crista média evidente e disposição em forma de "Z |
A transformação da morfologia da martensite de ripado para floco com a diminuição do ponto Ms pode ser explicada da seguinte forma:
A Tabela 4 demonstra uma correlação entre a superfície de hábito e a morfologia da martensite. A temperatura de formação da martensite com baixo teor de carbono é geralmente considerada elevada, com o plano (111) γ como plano de hábito devido ao seu grande cisalhamento. A estas temperaturas elevadas, o deslizamento é mais fácil de ocorrer do que a geminação e há menos sistemas de cristais (111) γ na rede cúbica centrada na face, resultando num número limitado de orientações iniciais para a formação de martensite, levando à formação de martensite agrupada dentro da mesma austenite.
À medida que a temperatura do ponto Ms diminui, a geminação torna-se mais fácil de ocorrer do que o deslizamento, e o plano de hábito muda para (225) γ ou (259) γ. Esta mudança resulta num aumento do número de sistemas cristalinos e orientações iniciais para a formação de martensite, levando à formação de martensite lamelar de cristal Li com folhas adjacentes não paralelas entre si dentro da mesma austenite.
Foi estabelecido que a formação de martensite a alta temperatura não pode resultar em martensite lamelar dupla, mesmo que a austenite seja significativamente reforçada. O ponto Ms nas ligas Fe-Ni-C pode ser alterado mudando a temperatura de austenitização, permitindo a obtenção de diferentes pontos Ms dentro da mesma liga.
Quando a temperatura de arrefecimento é ligeiramente inferior à do ponto Ms correspondente, pode observar-se a alteração da morfologia da martensite da forma de borboleta para a forma de chapa. Além disso, a diminuição da temperatura de formação leva a um aumento da zona gémea de transformação.
A morfologia da martensite induzida por deformação formada na mesma liga a várias temperaturas acima do ponto Ms também foi estudada, revelando que a morfologia da martensite muda com a alteração da temperatura de deformação (ou seja, a temperatura de formação da martensite induzida por deformação). Estes resultados confirmam que a morfologia da martensite e a estrutura interna deste tipo de liga estão unicamente relacionadas com o ponto Ms.
Além disso, sob alta pressão e diminuindo o ponto Ms, é mais provável que ocorram gémeos de transformação, levando a uma mudança na morfologia da martensite de ripado para chapa, como mostra a Fig. 19. Esta evidência experimental apoia a importância do ponto Ms.
Fig. 19 Efeito da pressão de 4000MPa no ponto Ms e na estrutura de martensite da liga ferromagnética
No processo de formação atual, múltiplas martensites são produzidas consecutivamente a temperaturas variáveis entre os pontos Ms e Mf.
A temperatura a que cada cristal de martensite se forma é única, pelo que a estrutura interna e a morfologia de cada cristal de martensite são também distintas.
Por conseguinte, é mais correto afirmar que a temperatura de formação, e não o ponto Ms, afecta a morfologia e a estrutura interna da martensite.
De acordo com Kelly et al., propõem uma hipótese que afirma que quanto mais baixa for a energia de falha de empilhamento da austenite, mais difícil se torna produzir a transformação para cristais de bainite e mais provável é a formação de martensite em ripas.
Tanto o aço inoxidável 18-8 como a liga Fe-8% Cr-1.1% C têm energias de falha de empilhamento baixas. À temperatura do azoto líquido, forma-se martensite de deslocação. Este fenómeno é difícil de explicar utilizando a hipótese do ponto Ms, mas pode ser explicado por esta hipótese.
Além disso, na martensite lamelar da liga Fe-30~33% Ni, a zona gémea de transformação aumenta à medida que o teor de Ni aumenta. Como se sabe que o Ni aumenta a energia de falha de empilhamento da austenite, este fenómeno experimental apoia a hipótese.
É de notar que este fenómeno experimental também pode ser explicado pela teoria do ponto Ms, uma vez que o Ni diminui o ponto Ms.
Recentemente, Davis e Magee propuseram uma hipótese sobre a relação entre a resistência da austenite e a morfologia da martensite. Utilizaram um método de liga para alterar a resistência da austenite e estudaram as alterações resultantes na morfologia da martensite.
Os resultados revelaram que a morfologia da martensite se altera em função da resistência do material austenítico limite de elasticidade no ponto Ms, que é de aproximadamente 206MPa. Acima deste limite, forma-se martensite lamelar com um plano de hábito de {259} γ. Abaixo deste limite, forma-se martensite em ripas com um plano de hábito de {111} γ ou martensite lamelar com um plano de hábito de {225} γ.
Como resultado, Davis e Magee acreditam que a resistência da austenite é o principal fator que afecta a morfologia da martensite. Também investigaram a resistência da martensite. Quando a resistência da austenite é inferior a 206MPa, se a resistência da martensite resultante for elevada, esta forma-se como martensite {225}γ. Se a resistência da martensite for baixa, forma-se a martensite {111}γ.
Esta hipótese pode ser aplicada para explicar as alterações morfológicas resultantes de alterações na composição da liga ou no ponto Ms, particularmente a transformação de {111}γ para {225}γ nas ligas Fe Ni e de {111}γ para {225}γ para {259}γ nas ligas Fe-C.
Além disso, a hipótese fornece uma compreensão clara da formação da martensite {225}γ, que não estava bem definida no passado. Esta forma-se quando a austenite fraca se transforma em martensite forte.
Enquanto o carbono tem efeitos limitados no reforço da austenite, tem um impacto significativo no reforço da martensite. A martensite {225}γ ocorre maioritariamente em sistemas de ligas com elevado teor de carbono.
Esta hipótese baseia-se no seguinte:
Se a relaxação da tensão de transformação na martensite ocorrer apenas através da deformação de geminação, a martensite resultante terá o plano de hábito {259} γ.
Quando a relaxação da tensão de transformação é efectuada parcialmente na austenite através do modo de escorregamento e parcialmente na martensite através do modo de geminação, a martensite terá o plano de hábito {225} γ.
Se a martensite também sofrer um modo de deslizamento, o plano de hábito será {111} γ.
Os resultados experimentais sugerem que esta hipótese está parcialmente correcta, mas é necessária mais investigação no futuro.
É de notar que a resistência da austenite e da martensite, tal como descrita nesta hipótese, está intimamente relacionada com vários factores, tais como a composição da liga, o tipo, o ponto Ms, a energia de falha de empilhamento austenítico, entre outros. Por conseguinte, esta hipótese não pode ser considerada isolada.
Esta hipótese enfatiza que a estrutura interna da martensite é determinada principalmente pelo modo de deformação durante a transformação, que é controlada principalmente pela tensão de cisalhamento crítica de deslizamento ou geminação.
A Figura 20 ilustra o efeito da tensão de corte crítica de deslizamento ou geminação da martensite e da temperatura de Ms e Mf na formação da morfologia da martensite.
Fig. 20 Diagrama esquemático da influência da tensão crítica de cisalhamento e da temperatura Ms Mf na morfologia da martensita causada pelo deslizamento ou geminação da martensita
As setas na figura representam as potenciais direcções de movimento para as linhas correspondentes, que são causadas por alterações na composição da liga. O movimento das linhas leva ao movimento da intersecção das curvas de deslizamento duplo.
A partir da figura, pode observar-se que, para o aço com baixo teor de carbono (onde os pontos Ms e Mf são ambos elevados), a tensão de corte crítica necessária para o deslizamento é inferior à necessária para a geminação, resultando na formação de martensite lamelar com uma elevada densidade de deslocações. Inversamente, para o aço com elevado teor de carbono (em que os pontos Ms e Mf são ambos baixos), a tensão crítica de corte necessária para a geminação é pequena, resultando na formação de martensite lamelar com um grande número de gémeos.
No caso de um teor médio de carbono, os pontos Ms e Mf são os indicados na figura. Durante a transformação martensítica, forma-se primeiro a martensite em ripas, seguida da martensite lamelar. Isto resulta numa estrutura mista de ambos os tipos de martensite.
Embora este ponto de vista pareça ser fundamentalmente correto, os factores que causam alterações na tensão de corte e a forma como a composição da liga ou o ponto Ms influenciam a tensão de corte crítica para o escorregamento martensítico ou a geminação ainda não são claros.
Alguns acreditam que o aumento da força motriz de transformação leva à transformação para martensite lamelar. Para ligas Fe-C, o limite da força motriz para a mudança na morfologia da martensita é de 1318 J/mol, e para ligas Fe-Ni, varia de 1255 a 1464 J/mol. Outros acreditam que o aumento do teor de C e N na martensite, causando a ordenação, está intimamente relacionado com a transformação morfológica.
Quando o aço com elevado teor de carbono é temperado, é suscetível à formação de microfissuras na martensite.
Anteriormente, pensava-se que estas microfissuras eram o resultado de microtensão causada pela expansão de volume durante a transformação martensítica.
No entanto, observações metalográficas recentes revelaram que a formação de microfissuras se deve, de facto, à colisão de martensite em crescimento, como ilustrado na Figura 21.
Figura 21. Diagrama esquemático de microfissuras formadas pela colisão de duas lâminas de martensite Fe-C. (A secção A-A representa a secção transversal de uma folha de martensite, que se difundiu em duas folhas de martensite).
A formação de martensite ocorre rapidamente. Quando as folhas de martensite colidem umas com as outras ou com um limite de grão de austenite, é gerado um campo de tensão significativo devido ao impacto.
Como a martensite com alto teor de carbono é extremamente frágil e não pode ser aliviada por deslizamento ou deformação dupla, é propensa a formar fissuras de impacto.
Este defeito inerente aumenta a fragilidade do aço martensite com elevado teor de carbono.
Sob a influência de outros factores de tensão, como a tensão térmica e a tensão estrutural, as microfissuras transformam-se em macrofissuras.
A presença de microfissuras também reduz significativamente a vida à fadiga dos componentes.
As microfissuras na martensite lamelar da liga Fe-C ocorrem frequentemente na junção de várias agulhas de martensite radiais ou no interior das agulhas de martensite, como ilustrado na Figura 22.
Fig. 22 Características microscópicas ópticas das microfissuras na martensite da liga Fe-1.39% C
A sensibilidade da formação de microfissuras na martensite é geralmente expressa em termos da área de microfissuras por unidade de volume de martensite (Sv).
As provas experimentais sugerem que a sensibilidade da martensite à formação de microfissuras é influenciada por vários factores, incluindo
Com a diminuição da temperatura de arrefecimento da têmpera, a quantidade de austenite retida (representada por γR) na estrutura do aço temperado diminui, resultando num aumento da quantidade de martensite e da sensibilidade à formação de microfissuras, como se mostra na Figura 23.
Fig. 23 Relação entre a sensibilidade à microfissuração da formação de martensite Fe-C e a temperatura de arrefecimento (1.39% C, aquecida a 1200 ℃ durante 1 hora)
A Figura 24 ilustra a relação entre a quantidade de transformação da martensite e a suscetibilidade à formação de microfissuras.
Fig. 24 Relação entre a sensibilidade à microfissuração (SV) da formação de martensite na liga Fe-1.86% C e o volume médio (V) de cada peça de martensite, o número de folhas de martensite por unidade de volume (NV) e a transformação da martensite:
De acordo com a figura, a sensibilidade à formação de microfissuras (Sv) aumenta com o aumento da variável de transformação da martensite, no entanto, quando a fração de transformação (f) excede 0,27, Sv não continua a aumentar.
Embora o número de martensite por unidade de volume (Nv) aumente, o tamanho da folha de martensite formada, representado pelo volume médio (V) de um pedaço de martensite, diminui devido à divisão contínua da austenite.
Assim, o tamanho da lâmina de martensite (V) pode ter um valor crítico que afecta a sensibilidade (Sv) à formação de microfissuras. Se V exceder este valor crítico, a sensibilidade à formação de microfissuras (Sv) aumenta com o aumento da fração de transformação.
Em conclusão, a formação de fissuras é predominantemente determinada pelo tamanho das folhas de martensite. Embora o número total e a área das fissuras possam aumentar com o aumento da variável de transformação da martensite, os grandes flocos de martensite formados na fase inicial resultam na formação da maioria das fissuras durante as fases iniciais da transformação.
A experiência mostra que, à medida que o comprimento da folha de martensite aumenta (ou seja, o tamanho máximo da folha cresce), a suscetibilidade da martensite à formação de microfissuras também aumenta, como mostra a Figura 25.
Fig. 25 Relação entre a sensibilidade da formação de microfissuras e o comprimento da lâmina de martensite (o número ao lado do ponto é o teor de martensite%)
As placas de martensite longas são mais susceptíveis ao impacto de outras placas de martensite devido ao seu tamanho. Além disso, tendem a intersectar-se com grãos de austenite, aumentando a probabilidade de encontrar fronteiras de grão.
As experiências mostraram que as microfissuras se formam predominantemente na martensite grosseira, enquanto a martensite fina raramente resulta na formação de microfissuras.
Como resultado, é provável que exista um tamanho crítico de martensite para a ocorrência de microfissuras na martensite. Do mesmo modo, se a composição da austenite for relativamente uniforme, existirá um tamanho de grão de austenite crítico abaixo do qual não ocorrerão microfissuras.
A ideia de que os grãos finos de austenite podem reduzir as microfissuras no aço de alto carbono temperado foi implementada na produção. No entanto, continua a não ser claro se a sensibilidade às microfissuras depende do tamanho da própria folha de martensite ou do campo de tensões gerado pelo crescimento de folhas de martensite com o tamanho crítico.
No caso da austenite homogénea, o comprimento das placas de martensite formadas na fase inicial está ligado ao tamanho dos grãos de austenite. Os grãos de austenite grosseiros resultam na formação de martensite grosseira, que é mais propensa à formação de microfissuras.
Os resultados experimentais, como se mostra na Figura 26, apoiam esta ideia. Os resultados indicam que o aço com elevado teor de carbono é mais suscetível de fissurar quando é temperado a temperaturas mais elevadas.
Por conseguinte, recomenda-se geralmente a seleção de uma temperatura de têmpera mais baixa para a têmpera de aço com elevado teor de carbono.
Fig. 26 Efeito do tamanho de grão da austenite do aço ao carbono (1.22% C) na sensibilidade à microfissuração no terreno
O efeito do teor de carbono na formação de microfissuras na martensite é demonstrado na Figura 27.
Fig. 27 Efeito do teor de carbono na martensite na sensibilidade à microfissuração
Pode ver-se na Figura 27 que a probabilidade de formação de microfissuras aumenta à medida que aumenta o teor de carbono na martensite.
No entanto, se o teor de carbono na austenite for superior a 1,4%, a suscetibilidade à formação de microfissuras diminui. Este facto está relacionado com o plano de hábito do cristal durante a transformação martensítica.
Quando o teor de carbono no aço excede 1,4%, a forma da martensite altera-se. As folhas tornam-se mais grossas e mais curtas, o ângulo entre as folhas de martensite torna-se mais pequeno e a força de impacto e a tensão são reduzidas. Como resultado, a sensibilidade à formação de microfissuras diminui.
A Tabela 5 mostra que a sensibilidade à formação de microfissuras no aço ao carbono 1.39% diminui significativamente com a diminuição do teor de carbono na martensite. Os dados são apresentados para um tamanho de grão de 3.
|
A1~Temperatura de ar (℃) |
Teor de carbono na martensite (%) |
Austenite retida (%) |
Quantidade de carboneto (%) |
Sensibilidade à formação de microfissuras S. (mm-1) |
|
1010 910 871 857 834 799 768 732 |
1.39 1.30 1.21 1.18 1.05 1.01 0.92 0.83 |
33.5 22 15 13 12 8 9 6 |
3.9 6 6.5 12 15 17.5 20 |
18 17 13 9 10 4.5 1.5 0.15 |
A análise metalográfica indica que a redução da sensibilidade à microfissuração está associada à presença de mais martensite em ripas de crescimento paralelo na microestrutura.
A martensite em ripas tem elevada plasticidade e tenacidade, e o risco de impacto mútuo é reduzido devido ao crescimento paralelo da martensite em ripas, levando a uma baixa sensibilidade a microfissuras.
Como mencionado anteriormente, o aço com elevado teor de carbono é suscetível de fissuração devido à sua estrutura de grão de austenite grosseira e ao elevado teor de carbono na martensite. Para atenuar este facto, o processo de produção tende a utilizar temperaturas de aquecimento mais baixas e tempos de espera mais curtos para diminuir o teor de carbono na martensite e obter grãos mais finos.
Em geral, os aços hipereutectoides, que sofrem uma têmpera incompleta, produzem martensite criptocristalina, menos sujeita a microfissuração. É por esta razão que apresentam excelentes propriedades globais.
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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