Por que o aço muda sua estrutura sob diferentes condições? Este artigo explora os cinco fatores críticos que influenciam o ponto de início da martensita (Ms) no aço. Desde a composição química e a tensão de deformação até as taxas de resfriamento, as condições de austenitização e até mesmo os campos magnéticos, essas variáveis determinam o comportamento de transformação do aço. Ao compreender esses fatores, você terá uma visão mais clara da otimização das propriedades mecânicas do aço para diversas aplicações. Continue lendo para descobrir como cada elemento afeta o desempenho do aço.
De modo geral, o ponto Ms depende principalmente da composição química do aço, sendo que o teor de carbono tem o efeito mais significativo.
Com o aumento do teor de carbono no aço, a faixa de temperatura da transformação martensítica diminui, conforme mostrado na Fig. 1.
Fig. 1 Efeito de Conteúdo de carbono em Ms e Mf
Com o aumento do teor de carbono, as alterações do ponto Ms e do ponto Mf não são totalmente 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, expandindo assim a faixa de temperatura da transformação martensítica (Ms Mf).
No entanto, quando o teor de carbono é superior a 0,6%, o ponto Mf diminui lentamente e, como o ponto Mf caiu abaixo de 0 ℃, há mais resíduos de carbono no solo. austenita na estrutura de temperatura ambiente após a têmpera.
O efeito do N no ponto Ms é semelhante ao do C.
Assim como o C, o N forma uma solução sólida intersticial no aço, que tem um efeito de fortalecimento da solução sólida na fase γ e na fase α, mas principalmente na fase α, aumentando assim a resistência ao cisalhamento da transformação martensítica e aumentando a força motriz da transformação.
Ao mesmo tempo, C e N também são elementos que estabilizam uma fase.
Eles reduzem a temperatura de equilíbrio T0 da transição de fase γ → α' e, portanto, reduzem bastante o ponto Ms.
Os elementos de liga comuns do aço podem reduzir o ponto Ms, mas o efeito não é tão significativo quanto o do carbono.
Somente Al e Co aumentam o ponto Ms (conforme mostrado na Fig. 2).
Fig. 2 Efeito dos elementos de liga no ponto Ms da ferro-liga
Os elementos que reduzem o ponto Ms são organizados na ordem de 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 na forma de carbonetos no aço, e raramente são dissolvidos em austenita durante a têmpera e o aquecimento, portanto, têm pouco efeito no ponto Ms.
A influência dos elementos de liga no ponto Ms depende principalmente de sua influência na temperatura de equilíbrio T0 e o efeito de fortalecimento da austenita.
Todos os elementos (como C) que reduzem drasticamente T0 temperatura e fortalece a austenita, reduzindo drasticamente o ponto Ms.
Mn, Cr, Ni, etc. não apenas reduzem o T0 temperatura, mas também aumentam ligeiramente a resistência austenítica, de modo que também reduzem o ponto Ms.
Al, Co, Si, Mo, W, V, Ti, etc. aumentam o T0 temperatura, mas também aumentam a resistência da austenita em graus variados.
Portanto,
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 praticamente equivalentes, isso tem pouco efeito no ponto Ms, como o Si.
De fato, a interação entre a liga elementos em aço é muito complexo, e o ponto Ms do aço depende principalmente do teste.
Em geral, acredita-se 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 austenita 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 a deformação e menor a temperatura de deformação, maior a deformação induzida martensita variáveis de transformação.
Como a transformação da martensita inevitavelmente produzirá expansão de volume, a tensão compressiva multidirecional impedirá a formação de martensita, reduzindo assim o ponto Ms.
No entanto, a tensão de tração ou a tensão compressiva unidirecional geralmente favorece a formação de martensita, o que faz com que o ponto Ms aumente.
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 favorecem a dissolução adicional de carbono e elementos de liga na austenita, o que reduzirá o ponto Ms, mas, ao mesmo tempo, causará o crescimento de grãos de austenita, reduzirá seus defeitos de cristal e reduzirá a resistência ao cisalhamento durante a formação de martensita, 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 retenção aumentarão o ponto Ms;
Sob a condição de aquecimento incompleto, o aumento da temperatura ou o prolongamento do tempo aumentará o teor de carbono e de elementos de liga na austenita, levando à diminuição do ponto Ms.
Sob a condição de que a composição da austenita seja constante, a resistência da austenita 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 afeta significativamente a resistência ao cisalhamento, ele tem pouco efeito sobre o ponto Ms.
A influência da taxa de resfriamento de têmpera no ponto Ms é mostrada na Fig. 3.
Fig. 3 Efeito da velocidade de resfriamento no ponto Ms do aço Fe-0.5% C-2.05% NI
Quando a velocidade de resfriamento é baixa, o ponto Ms permanece constante, formando um degrau mais baixo, que é equivalente ao ponto Ms nominal do aço.
Quando a velocidade de resfriamento é muito alta, ocorre outra etapa em que o ponto Ms permanece constante.
Entre as duas velocidades de resfriamento acima, o ponto Ms aumenta com o aumento da velocidade de resfriamento.
Os fenômenos acima podem ser explicados da seguinte forma:
Supõe-se que a distribuição de C na austenita durante a transformação de fase seja desigual, e a segregação ocorra em defeitos como deslocamentos, formando uma "massa de ar atômica de C".
O tamanho dessa "massa de ar" está relacionado à temperatura.
Sob alta temperatura, a capacidade de difusão atômica é forte, e a tendência de segregação do átomo de C é pequena, de modo que o tamanho da "massa de ar" também é pequeno.
No entanto, quando a temperatura diminui, a difusividade atômica diminui, a tendência de segregação dos átomos de C aumenta, e o tamanho da "massa de ar" interna aumenta com a diminuição da temperatura.
Em condições normais de resfriamento, essas "massas de ar" podem atingir tamanho suficiente para fortalecer a austenita.
No entanto, a velocidade de resfriamento extremamente rápida inibe a formação de "massa de ar", o que leva ao enfraquecimento da austenita e à redução da resistência ao cisalhamento durante a transformação martensítica, elevando assim o ponto Ms.
No entanto, quando a taxa de resfriamento é alta o suficiente, a flexão da "massa de ar" é restringida, e o ponto Ms não aumenta mais com o aumento da taxa de resfriamento.
O teste mostra que, quando o aço é temperado e resfriado no campo magnético, o campo magnético aplicado induzirá a transformação da martensita.
Em comparação com a situação sem o campo magnético, o ponto Ms aumenta e a transformação de martensita na mesma temperatura aumenta.
No entanto, o campo magnético externo só faz o ponto Ms subir, mas não tem efeito sobre o comportamento da transição de fase abaixo do ponto Ms.
Fig. 4 Efeito do campo magnético externo no processo de transformação da martensita
Conforme mostrado na Fig. 4, o campo magnético aplicado aumenta Ms para Ms' durante a têmpera e o resfriamento, mas a tendência de aumento da variável rotacional é basicamente consistente com aquela sem campo magnético.
Quando o campo magnético aplicado for removido antes que a transformação de fase termine, a transformação de fase retornará imediatamente ao estado em que o campo magnético não foi aplicado, e a quantidade final de transformação da martensita não será alterada.
O motivo pelo qual o campo magnético externo afeta a transformação da martensita é que o campo magnético externo torna a fase de martensita com a força máxima de saturação magnética mais estável.
Fig. 5 Diagrama termodinâmico do aumento do ponto Ms causado pelo campo magnético externo
Conforme mostrado na Fig. 5, a energia livre da martensita diminui com o campo magnético, enquanto o campo magnético tem pouco efeito sobre a energia livre da austenita não ferromagnética.
Portanto, a temperatura de equilíbrio de duas fases T0 aumenta, e o ponto Ms também aumenta. Também é possível considerar que o campo magnético externo, na verdade, compensa parte da força motriz química com energia magnética, e a transformação martensítica pode ocorrer acima do ponto Ms devido à indução magnética.
Esse fenômeno é muito semelhante à transformação martensítica induzida por deformação do ponto de vista termodinâmico.
Com a introdução dessa questão, devemos ter clareza sobre os cinco fatores que afetam os pontos Ms.
É claro que a revisão regular desses pontos de conhecimento também terá um papel benéfico em nossa compreensão dos pontos de conhecimento.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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