Já alguma vez se interrogou sobre o que acontece ao aço quando arrefece? Neste artigo, exploramos as fascinantes transformações que ocorrem, tais como as estruturas Widmanstatten e Martensite. Ficará a saber como estas alterações afectam as propriedades do aço e porque são importantes em aplicações do mundo real. Prepare-se para descobrir os segredos por detrás da resistência e durabilidade do aço!
Na produção atual, o aço hipoeutectoide com um teor de carbono (ωc) inferior a 0,6% e o aço hipereutectoide com um teor de carbono superior a 1,2% são arrefecidos por ar após a fundição, a laminagem a quente e o forjamento. O cordão de soldadura ou zona afetada pelo calor é arrefecida pelo ar ou, quando a temperatura é demasiado elevada, é rapidamente arrefecida. Isto resulta no crescimento e precipitação de ferrite pré-eutectóide ou cementite pré-eutectóide a partir do limite de grão da austenite ao longo de certos planos cristalinos da austenite, de uma forma semelhante a uma agulha.
Ao microscópio metalográfico, pode observar-se a presença de ferrite ou cementite aciculares quase paralelas ou regularmente dispostas e a estrutura de perlite entre elas. Esta estrutura é designada por Widmanstätten, e a figura seguinte ilustra a Widmanstätten da ferrite e da cementite.
A ferrite Widmanstatten é formada através de um mecanismo de cisalhamento, semelhante ao processo na Bainite. Isto resulta numa amostra convexa.
Devido à elevada taxa de arrefecimento durante a formação, a ferrite só pode precipitar ao longo de uma superfície cristalina específica de austenite e tem uma relação de orientação cristalina com a sua fase-mãe, a austenite.
A formação de ferrite acicular pode ocorrer diretamente a partir da austenite ou a ferrite em rede pode ser precipitada ao longo dos limites de grão da austenite e crescer no cristal em paralelo.
À medida que a ferrite de Widmanstatten se forma, o carbono difunde-se da ferrite para a fase de origem, a austenite, em ambos os lados, causando a teor de carbono da austenite entre as agulhas de ferrite para aumentar continuamente e eventualmente transformar-se em perlite.
A ferrite Widmanstatten formada através do mecanismo de transformação da bainite é, na realidade, bainite sem carbono.
A formação da estrutura Widmanstatten depende do teor de carbono, do tamanho de grão da austenite e da taxa de arrefecimento (temperatura de transformação) do aço.
A figura seguinte ilustra a temperatura de formação e a gama de teor de carbono para várias ferrite e cementite. Como se pode ver na figura, a estrutura Widmanstatten (zona W) só se pode formar sob taxas de arrefecimento relativamente rápidas e dentro de uma gama específica de teor de carbono.
Para o aço hipoeutectoide, se a fração mássica de carbono exceder 0,6%, torna-se difícil formar a estrutura de Widmanstatten devido ao seu elevado teor de carbono e à baixa probabilidade de formar uma zona pobre em carbono.
A investigação mostra que, no caso do aço hipoeutectoide, a estrutura de Widmanstatten só se pode formar quando o teor de carbono se situa num intervalo estreito de ωc = 0,15% a 0,35% e a taxa de arrefecimento é rápida, com um tamanho de grão de austenite fino.
Quanto mais fino for o grão de austenite, mais fácil é formar a ferrite de rede, mas não a estrutura de Widmanstatten. Por outro lado, quanto mais grosseiro for o grão de austenite, mais fácil é formar a estrutura de Widmanstatten e a gama de teor de carbono necessária para a formar torna-se mais ampla.
Assim, a estrutura Widmanstatten é tipicamente observada em aços com uma estrutura de grão de austenite grosseira.
(1) Widmanstatten é um tipo de estrutura sobreaquecida no aço que pode ter um impacto negativo nas propriedades mecânicas do aço. Isto inclui uma redução da resistência ao impacto e da plasticidade, bem como um aumento da temperatura de transição frágil, tornando o aço mais propenso a fracturas frágeis.
(2) É amplamente reconhecido que a resistência e a tenacidade ao impacto do aço são significativamente reduzidas apenas quando o grão de austenite é grosseiro, aparece uma estrutura de Widmanstatten de ferrite grosseira ou de cementite e a matriz está seriamente fragmentada.
No entanto, quando o grão de austenite é relativamente fino, mesmo que esteja presente uma pequena quantidade de estrutura de Widmanstatten de ferrite acicular, as propriedades mecânicas do aço não serão afectadas de forma significativa. Isto deve-se à subestrutura mais fina e à maior densidade de deslocação da ferrite na estrutura Widmanstatten.
(3) A redução das propriedades mecânicas do aço devido à estrutura de Widmanstatten está sempre relacionada com o engrossamento dos grãos de austenite. Se a estrutura de Widmanstatten aparecer no aço ou no aço fundido e reduzir as suas propriedades mecânicas, o primeiro passo é considerar se é causada pelo engrossamento do grão de austenite devido a altas temperaturas de aquecimento.
(4) Para os aços que são propensos à estrutura Widmanstatten, esta pode ser evitada ou eliminada através de um controlo adequado do processo de laminagem, reduzindo a temperatura final de forjamento, controlando a taxa de arrefecimento após o forjamento ou alterando o processo de tratamento térmico, como têmpera e revenimentoA normalização, o recozimento ou a têmpera isotérmica para refinar o grão.
1. Definição
(1) Transformação martensítica: A transformação de fase não difusiva que ocorre quando o aço é rapidamente arrefecido a partir do estado austenítico para evitar a sua decomposição difusiva (abaixo da Ponto MS) é conhecida como a transformação martensítica.
É importante notar que a transformação é caraterística da martensite e os produtos da transformação são todos referidos como martensite.
(2) Martensite: Em essência, a martensita no aço é uma solução sólida intersticial onde o carbono é supersaturado em α-Fe.
2. Cristal estrutura da martensite
A estrutura cristalina martensítica pode assumir as seguintes formas:
3. Microestrutura da martensite
Existem duas formas básicas de martensite no aço: a martensite em ripas (martensite de deslocação) e a martensite lamelar (também conhecida como martensite em agulha).
(1) Martensite de ripas
A martensite de ripas é uma estrutura martensítica comum encontrada em aço de baixo carbono, aço de médio carbono, aço maraging, aço inoxidável e outras ligas à base de ferro.
a) Morfologia estrutural: ripa de martensite (D) → feixe de martensite (B-2; C-1) → grupo de ripas (3-5) → ripa de martensite.
b) As ripas densas são normalmente separadas por austenite residual com elevado teor de carbono.
A presença desta fina camada de austenite residual pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas do aço.
c) Existe um grande número de deslocações na martensite em ripas, e a distribuição destas deslocações não é uniforme.
Forma uma subestrutura celular, denominada célula de deslocação, pelo que também é designada por martensite de deslocação.
(2) Martensite lamelar
A martensite lamelar encontra-se no aço de alto carbono (ωC > 0,6%), no aço inoxidável de níquel (ωNi = 30%) e em alguns metais não ferrosos e ligas.
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(a) Morfologia estrutural: A morfologia espacial da martensite lamelar tem a forma de uma lente convexa.
Devido ao corte da amostra durante o polimento, a sua secção transversal aparece como uma agulha ou uma folha de bambu ao microscópio ótico.
Por isso, a martensite lamelar é também conhecida como martensite tipo agulha ou martensite tipo folha de bambu.
(b) Características da microestrutura: As folhas de martensite na martensite lamelar não são paralelas entre si.
Num grão de austenite, a martensite formada pela primeira lâmina abrange frequentemente todo o grão de austenite e divide-se em duas partes, fazendo com que o tamanho das lâminas de martensite formadas posteriormente se torne cada vez mais pequeno.
(c) Tamanho: O tamanho máximo da martensite lamelar depende do tamanho original do grão de austenite. Quanto maior for o grão de austenite, mais grosseira será a folha de martensite.
(d) Martensite criptocristalina: Quando o maior pedaço de martensite é demasiado pequeno para ser distinguido por um microscópio ótico, é referido como "martensite criptocristalina".
A martensite obtida por têmpera normal na produção apresenta-se geralmente sob a forma de martensite criptocristalina.
(e) Subestrutura: A subestrutura da martensite lamelar é essencialmente geminada, razão pela qual é também referida como martensite geminada.
Os gémeos estão normalmente localizados no centro da martensite e não se estendem para a região da borda da folha de martensite. A região da borda contém deslocamentos de alta densidade.
Nos aços com um teor de carbono ωC > 1,4%, pode observar-se uma região geminada fina com elevada densidade na linha de crista média da folha de martensite.
(f) Microfissuras: A rápida formação de martensite gera um campo de tensões considerável quando colide com outros limites de grão de martensite ou austenite.
A martensite lamelar é dura e quebradiça, e a tensão não pode ser aliviada por deslizamento ou deformação dupla, tornando-a suscetível a fissuras de impacto.
Em geral, quanto maior for o grão de austenite e quanto maior for a chapa de martensite, mais microfissuras se formarão após a têmpera. A presença de microfissuras aumenta a fragilidade das peças de aço com elevado teor de carbono.
Sob a influência de tensão internaSe as microfissuras se transformarem em macrofissuras, a fissuração da peça de trabalho ou uma redução notável da sua vida à fadiga.
(g) Morfologia: A morfologia da martensite depende principalmente do teor de carbono da austenite e está relacionada com a temperatura de início da transformação da martensite (ponto MS) do aço.
Quanto mais elevado for o teor de carbono da austenite, mais baixos serão os pontos MS e MF.
| Teor de carbono | Forma | Temperatura de formação (geral) |
| ωC＜0.2% | martensite de ripas | Acima de 200 ℃ |
| ωC>0,6% | placa de martensite | Inferior a 200 ℃ |
| ωC=0.2%~1% | Estrutura mista de ripas e folhas | Primeiro forma-se o cavalo de tábua, depois forma-se o cavalo de peça |
(h) Influência dos elementos na morfologia da martensite: Elementos como Cr, Mo, Mn, e Ni (que baixam o ponto MS) e Co (que aumenta o ponto MS) aumentam a probabilidade de formação de martensite lamelar.
4. Propriedades da martensite
(1) Propriedades mecânicas: A martensite é caracterizada por elevadas resistência e dureza.
(2) Efeito do teor de carbono nas propriedades: A dureza da martensite depende principalmente do seu teor de carbono.
Quando ωC < 0,5%, a dureza da martensite aumenta acentuadamente com o aumento do teor de carbono.
No entanto, quando ωC > 0,6%, embora a dureza da martensite aumente, a dureza do aço diminui devido à presença de uma maior quantidade de austenite residual.
(3) Influência dos elementos de liga: Os elementos de liga têm um efeito mínimo na dureza da martensite, mas podem aumentar a sua resistência.
(4) Dureza: A martensite tem diferentes níveis de dureza e resistênciaque são alcançados principalmente através do reforço da solução, do reforço da transformação de fase e do reforço do envelhecimento.
Os pormenores são os seguintes:
Reforço da solução sólida: A presença de átomos intersticiais na lacuna octaédrica da rede da fase α cria uma distorção quadrada na rede, que gera um campo de tensão.
Este campo de tensão interage fortemente com as deslocações, aumentando assim a resistência da martensite.
Reforço da transformação de fase: Durante a transformação para martensite, formam-se no cristal defeitos de alta densidade na rede. As deslocações de alta densidade na martensite em ripas e os gémeos na martensite lamelar inibem o movimento de deslocação, fortalecendo assim a martensite.
Reforço por envelhecimento: Após a formação da martensite, o carbono e o elementos de liga difundem-se, segregam-se ou precipitam em deslocações ou outros defeitos da rede, fixando as deslocações e dificultando o seu movimento, reforçando assim a martensite.
(5) Resistência da martensite: Quanto menor for o tamanho do grupo de ripas ou folhas de martensite, maior será a resistência da martensite. Isto deve-se ao facto de a interface de fase da martensite impedir o movimento de deslocação, e quanto mais pequeno for o grão de austenite original, maior será a resistência da martensite.
A plasticidade e a tenacidade da martensite dependem principalmente da sua subestrutura. A martensite dupla tem elevada resistência, mas baixa tenacidade, enquanto a martensite de deslocação tem elevada resistência e boa tenacidade.
(6) Volume da martensite: Entre as várias estruturas do aço, a austenite tem o menor volume específico e a martensite tem o maior volume específico.
Assim, a expansão do volume do aço durante a têmpera é um fator importante na geração de grandes tensão internadeformação e até fissuras na peça de trabalho.
A força motriz por detrás da transformação da martensite, tal como noutras transformações de fase sólida, é a diferença de energia livre química por unidade de volume entre a nova fase (martensite) e a fase de origem (austenite). A resistência a esta mudança de fase é também influenciada pela energia da interface e pela energia de deformação gerada durante a formação da nova fase.
Apesar da presença de uma interface coerente entre a austenite e a martensite, a energia da interface é pequena. A grande energia de deformação coerente, causada pela diferença significativa no volume específico entre a martensite e a austenite e a necessidade de ultrapassar a resistência ao cisalhamento e gerar numerosos defeitos na rede, leva a um aumento da energia de deformação elástica e a uma grande resistência à transformação da martensite. Como resultado, é necessário um sub-arrefecimento suficiente para garantir que a força motriz da transformação ultrapasse a resistência à transformação, permitindo que ocorra a transformação da austenite em martensite.
A temperatura de início da transformação da martensite, designada por "ms", é definida como a temperatura à qual a diferença de energia livre entre a martensite e a austenite atinge a força motriz mínima necessária para a transformação.
A transformação da martensite é uma transformação da austenite sub-arrefecida que ocorre a baixas temperaturas.
Em comparação com a transformação de perlite e a transformação de bainite, a transformação de martensite tem as seguintes características distintas:
A transformação da martensite ocorre quando a austenite é subarrefecida. Neste momento, a atividade dos átomos de ferro, dos átomos de carbono ou dos elementos de liga é muito baixa, pelo que a transformação ocorre sem difusão. Há apenas uma reconstrução das regras de rede, e não há mudança na composição entre a nova fase e a fase original.
O cisalhamento refere-se à deformação causada por duas forças paralelas que são próximas, iguais em tamanho e opostas em direção, actuando no mesmo objeto. Durante a transformação da martensite, a superfície superior do espécime pré-polido inclina-se e torna-se convexa, o que demonstra que a transformação da martensite está diretamente relacionada com as propriedades macroscópicas da fase-mãe e que a martensite se forma através do cisalhamento.
A martensite e a sua fase mãe, a austenite, permanecem coerentes, com átomos na interface pertencentes tanto à martensite como à austenite. A interface de fase é um limite de grão coerente com o cisalhamento, também conhecido como plano de hábito.
A transformação da martensite é um processo de transformação de fase em que a nova fase se forma em planos cristalinos e de hábito específicos da fase-mãe e mantém a coerência através do corte da fase-mãe.
Nucleação da martensite
A nucleação da martensite não é uniforme em toda a liga, mas ocorre em posições favoráveis dentro da fase-mãe, tais como defeitos na rede, regiões de deformação ou regiões pobres em carbono.
Processo de transformação martensítica
Tal como outras transições de fase no estado sólido, a transformação da martensite também ocorre através da nucleação e crescimento. A transformação é uma migração de curto alcance de átomos e, após a formação de um núcleo de cristal, a taxa de crescimento é muito rápida (102 a 106 mm/s) e permanece elevada mesmo a baixas temperaturas.
Taxa de transformação de martensite
A taxa de transformação da martensite é determinada pela taxa de nucleação e termina quando todos os núcleos maiores que o raio crítico de nucleação se esgotam. Quanto maior for o sub-arrefecimento, menor será o tamanho crítico de nucleação. É necessário um arrefecimento adicional para que os núcleos mais pequenos nucleiem e se transformem em martensite.
Para aço-carbono industrial geral e liga de açoA transformação da martensite ocorre durante o arrefecimento contínuo (temperatura variável). A austenite no aço é arrefecida abaixo do ponto MS a uma velocidade superior à velocidade crítica de arrefecimento, resultando na formação imediata de alguma martensite. A transformação não tem período de incubação e, com a diminuição da temperatura, forma-se martensite adicional, sendo que a primeira martensite formada não cresce. A transformação martensítica aumenta à medida que a temperatura diminui.
O grau de transformação da martensite é determinado exclusivamente pela temperatura atingida durante o arrefecimento e não é influenciado pelo tempo de permanência.
Austenite retida
Se o ponto Ms do aço com elevado teor de carbono e de muitos aços-liga for superior à temperatura ambiente e o ponto Mf for inferior à temperatura ambiente, permanecerá uma quantidade significativa de austenite não transformada após a têmpera e o arrefecimento até à temperatura ambiente, conhecida como austenite retida.
Para transformar plenamente o austenite retidaPode ser submetido a um "tratamento a frio", como a colocação em azoto líquido.
Os factores que afectam a quantidade de austenite retida incluem um maior teor de carbono e a presença de elementos que reduzem a MS.
Estabilização mecânica da austenite retida
A estabilização mecânica da austenite refere-se ao fenómeno de estabilização causado por uma grande deformação plástica ou tensão de compressão durante a têmpera. A austenite retida está relacionada com a estabilização mecânica. A austenite rodeada de martensite encontra-se num estado comprimido e incapaz de se transformar, levando à sua retenção.
Martensite induzida por deformação (Martensite deformada)
A deformação plástica da austenite acima do ponto MS pode resultar na transformação da martensite. Quanto maior for a quantidade de deformação, maior será a quantidade de transformação da martensite. Isto é referido como transformação da martensite induzida pela deformação.
A reversibilidade refere-se à capacidade de alguns metais ferrosos, ouro, níquel e outros metais não ferrosos transformarem a austenite em martensite após arrefecimento e voltarem a transformar-se em austenite após reaquecimento sem difusão.
No entanto, esta transformação inversa de acordo com o mecanismo de transformação da martensite geralmente não ocorre no aço ao carbono, uma vez que a martensite se decompôs em ferrite e carboneto durante o aquecimento. Este processo é conhecido como têmpera.
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