5 Morfologias de martensita que você precisa conhecer

A estrutura de martensita obtida pela têmpera desempenha um papel fundamental na transmissão de resistência e tenacidade ao aço.

Entretanto, 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 martensita temperada podem variar significativamente.

Essas mudanças têm um impacto profundo nas propriedades mecânicas da martensita.

Portanto, é imperativo ter um entendimento completo das características morfológicas da martensita e compreender os diversos fatores que influenciam sua morfologia.

1. Morfologia da martensita

A morfologia e a estrutura fina da martensita foram amplamente estudadas usando a microscopia eletrônica de transmissão de filme fino.

A pesquisa revelou que, embora a morfologia da martensita no aço possa ser diversa, suas características podem ser divididas nas seguintes categorias:

1. Martensita de rede

A martensita de ripas é uma estrutura comum de martensita 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 martensita em aço doce.

Fig. 1 Tira de martensita 100X de baixo carbono Aço-liga (0,03% C, 2% Mn)

A microestrutura de determinados aços é composta de vários grupos de ripas, por isso é chamada de martensita de ripas.

Em alguns casos, a ripa não é facilmente exposta ou gravada e, em vez disso, aparece em blocos, o que leva ao seu nome alternativo, martensita em blocos.

Como a subestrutura principal desse tipo de martensita é o deslocamento, ela é comumente chamada de martensita de deslocamento.

A martensita de aglomerado é composta por vários grupos de tiras, sendo que cada grupo de tiras consiste em várias tiras de tamanho aproximadamente igual, dispostas aproximadamente paralelas umas às outras em uma direção específica.

A Figura 2 destaca o deslocamento de alta densidade dentro das ripas, que é característico da martensita de ripa.

Fig. 2 Microestrutura de transmissão de filme fino de baixa liga de aço carbono (0,03% C, 2% Mn) 20000X

Além disso, podem existir gêmeos de transformação de fase nas ripas, mas eles geralmente são localizados e não estão presentes em quantidades significativas, nem são a principal forma de estrutura fina.

A relação de orientação cristalina entre a martensita de ripas e sua matriz austenita é normalmente chamada de relação Kurdjumov-Sachs (K-S), com o plano de hábito sendo (111)γ.

No entanto, no caso do aço inoxidável 18-8, o plano de hábito da martensita de ripas é (225)γ.

A Figura 3 ilustra as características cristalográficas da microestrutura de martensita de ripas, conforme determinado pela pesquisa.

Fig. 3 Diagrama esquemático das características cristalográficas da microestrutura de martensita em ripas

Uma grande área composta de feixes de martensita dispostos em paralelo é chamada de grupo de feixes e é indicada por A.

Um único grão de austenita primária pode conter vários grupos de ripas, geralmente variando de 3 a 5.

Cada grupo de faixas pode ser dividido em várias regiões paralelas, como a B mostrada na figura.

Em alguns casos, quando determinadas soluções são usadas para corrosão, apenas o limite do grupo de ripas é visível, resultando em uma aparência de bloco da microestrutura, daí o nome martensita em bloco.

Quando são empregadas técnicas de corrosão colorida, como 100 cc de HCl + 5 g de CaCl₂ + 100cc CH₃Solução CH, tons de preto e branco podem ser observados no grupo de ripas.

As regiões com o mesmo tom correspondem a ripas de martensita com a mesma orientação e são chamadas de vigas homotrópicas.

De acordo com a relação de orientação de Kurdjumov-Sachs (K-S), a martensita pode apresentar 24 orientações diferentes na austenita de origem, incluindo seis orientações que podem gerar martensita em ripas paralelas (consulte a Figura 4).

Fig. 4 Martensita (111) em aço γ Possível orientação ao se formar no plano

Um feixe isopático refere-se a um feixe de lâminas que foram transformadas a partir de uma das lâminas.

Vários feixes paralelos e colineares se combinam para formar um grupo de tiras.

Alguns pesquisadores sugerem que, em um grupo de ripas, apenas dois grupos podem alternar suas posições.

Portanto, um grupo de ripas é normalmente composto por dois grupos de feixes de ripas alinhados que se alternam entre si e também podem se alternar entre si em limites 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, conforme ilustrado em C na Figura 3.

Um feixe alinhado consiste em tiras dispostas paralelamente, conforme ilustrado em D na Figura 3.

Esse cenário pode ser observado por meio de microscopia eletrônica, conforme demonstrado na Figura 5.

Fig. 5 Algumas microestruturas no feixe isotrópico de martensita de ripas na liga Fe-0.2% C (micrografia eletrônica 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, conforme mostrado na Fig. 6.

Fig. 6 Distribuição de tiras de filme e tecnologia de réplica

Conforme observado na figura, a largura da ripa com a maior frequência de ocorrência varia de 0,15 a 0,20 μm, e a curva de distribuição é fortemente inclinada para ripas de tamanho menor. No entanto, uma pequena proporção de feixes tem uma largura de 1 a 2 μm.

A Figura 7 ilustra que as ripas maiores são frequentemente distribuídas por todo o feixe de ripas, o que é uma característica fundamental da microestrutura do feixe de ripas.

Fig. 7 Microestrutura da martensita em ripas na liga Fe-0.2% C (micrografia eletrônica de transmissão)

Os resultados experimentais indicam que a mudança da temperatura de austenitização altera o tamanho do grão de austenita, mas tem impacto mínimo sobre a distribuição da largura da ripa.

No entanto, o tamanho do grupo de ripas aumenta à medida que o tamanho do grão de austenita aumenta, enquanto a proporção entre os dois permanece aproximadamente constante. Assim, o número de grupos de ripas gerados em um grão austenítico normalmente permanece inalterado.

As medições de microscopia eletrônica de filme fino mostram que a área do limite da ripa em volume unitário de martensita é de aproximadamente 65.000 cm²/cm³.

A área dos limites de cristal de ângulo pequeno no feixe de ripas é cerca de cinco vezes maior que a dos limites de cristal de ângulo grande.

Na liga Fe-Cr-Ni com base no aço inoxidável 18-8, é possível gerar martensita em ripas e ε'-martensita (estrutura hexagonal compactada), resultando em uma microestrutura que difere significativamente da liga Fe-C, conforme mostrado na Figura 8.

Fig. 8 Microestrutura da martensita 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, ela é criada como um grupo de ripas finas envolvendo uma folha de ε'-martensita (conforme mostrado nas faixas paralelas na figura).

No entanto, a estrutura de microscopia eletrônica dessa martensita de ripas é idêntica à encontrada nas ligas de Fe-C e Fe-Ni.

2. Martensita em flocos

Outra estrutura típica de martensita em ligas da série de ferro é a martensita lamelar, que é comumente encontrada em aços de alto e médio carbono temperados e ligas com alto teor de Ni Fe Ni.

A estrutura típica de martensita lamelar em aço de alto carbono é mostrado na Fig. 9.

Fig. 9 Estrutura de resfriamento superaquecido do aço T12A 400X (aquecido a 1000 ℃, resfriado com água)

Esse tipo específico de martensita é conhecido por vários nomes, como martensita lenticular, devido ao seu formato biconvexo semelhante a uma lente. Também é chamada de martensita acicular ou martensita em forma de folha de bambu, pois, quando observada em um microscópio que cruza com a superfície de moagem da amostra, aparece como estruturas em forma de agulha ou de folha de bambu.

A subestrutura da martensita lamelar é composta principalmente de gêmeos e, por isso, também é chamada de martensita gêmea. A microestrutura da martensita lamelar é caracterizada pelo fato de que as lamelas não são paralelas umas às outras.

Quando um grão austenítico com composição uniforme é resfriado a uma temperatura ligeiramente inferior à Ms, a primeira martensita formada percorrerá todo o grão austenítico e o dividirá em duas metades. Isso limita o tamanho da martensita formada posteriormente, resultando em tamanhos variados de martensita lamelar. Conforme mostrado na Figura 10, os flocos de martensita formados posteriormente tendem a ser menores.

Fig. 10 Microestrutura da martensita lamelar

O tamanho dos flocos depende quase inteiramente do tamanho do grão da austenita.

A martensita escamosa pode ser vista com frequência com uma crista média evidente (veja a Fig. 11).

Fig. 11 Martensita em flocos (com crista média evidente, 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 martensita lamelar é (225) γ ou (259) γ. A relação de orientação com a fase original é a relação Kurdjumov-Sachs (K-S) ou a relação Xishan.

Conforme mostrado na Figura 12, a martensita contém várias linhas finas que são cristais Luan de transformação, enquanto as nervuras finas em faixas na parte central da junta são cristas médias.

Fig. 12 Estrutura TEM da martensita lamelar

A existência do cristal de transformação Lüders é uma característica importante da martensita lamelar.

O espaçamento dos cristais de Lüders é de aproximadamente 50 Å e geralmente não se estende até o limite da martensita.

A borda da folha apresenta um conjunto complexo de deslocamentos, que geralmente se acredita serem deslocamentos em parafuso dispostos regularmente na direção [111] α'.

O cristal de Lüders de transformação em martensita lamelar é geralmente um cristal de Lüders (112)α'.

Entretanto, na liga Fe-1.82% C (c/a=1,08), um cristal de Lüders (110) se misturará com um cristal de Lüders (112)α'.

Dependendo da subestrutura interna da martensita lamelar, ela pode ser dividida na área de gêmeos de transformação (parte central) centrada na crista central e na área sem gêmeos (na parte circundante da lamela, há deslocamentos).

A proporção de zonas gêmeas varia de acordo com a composição da liga.

Nas ligas Fe-Ni, quanto maior o teor de Ni (menor a Ponto da Sra.), maior será a zona gêmea.

De acordo com a pesquisa sobre a liga Fe-Ni-C, mesmo para uma liga com a mesma composição, a proporção da zona gêmea aumenta com a diminuição do ponto Ms (causada, por exemplo, pela alteração da temperatura de austenitização).

No entanto, a densidade dos gêmeos de transformação praticamente não muda, e a espessura dos gêmeos permanece em torno de 50 Å.

A martensita em ripas e a martensita lamelar são as duas morfologias mais básicas da martensita no aço e na liga.

Suas características morfológicas e cristalográficas estão listadas na Tabela 1.

Tabela 1 Tipos e características de martensita em ligas de ferro-carbono

3. Outra morfologia da martensita

3.1 Martensita borboleta

Nas ligas de Fe Ni ou Fe Ni C, quando a martensita é formada em uma determinada faixa de temperatura, aparecerá uma martensita com morfologia especial, conforme mostrado na Fig. 13.

Fig. 13 Microestrutura da martensita de prato

A forma tridimensional dessa martensita é uma haste fina, e sua seção é em forma de borboleta, por isso é chamada de martensita borboleta.

Descobriu-se que a martensita borboleta se forma na liga Fe-31% Ni ou Fe-29% Ni-0,26% C na faixa de temperatura de 0 a -60 ℃.

Estudos de microscopia eletrônica confirmaram que sua subestrutura interna compreende deslocamentos de alta densidade, sem gêmeos visíveis.

A relação cristalográfica com a fase original 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-se observar que, para os dois sistemas de ligas mencionados anteriormente, a faixa de temperatura de formação da martensita borboleta está entre a faixa de temperatura de formação da martensita ripada e da martensita lamelar.

A junção de duas asas de martensita borboleta é muito semelhante à crista média da martensita lamelar. Supõe-se que a martensita (provavelmente geminada) que cresce a partir daqui para os dois lados ao longo de diferentes orientações apresentará o formato de borboleta.

A parte da junta da martensita borboleta é semelhante à parte da junta de duas peças de martensita formadas por uma explosão, mas não contém nenhuma estrutura gêmea, que é diferente da martensita em folha.

Do ponto de vista da estrutura interna e da microestrutura, a martensita borboleta é semelhante à martensita ripada, mas não ocorre em fileiras.

Até o momento, muitos aspectos da martensita borboleta ainda não estão claros. No entanto, sua morfologia e propriedades estão entre a martensita de ripas e a martensita lamelar, o que a torna um tópico interessante a ser explorado.

3.2 Martensita escamosa

Essa martensita foi descoberta em uma liga Fe-Ni-C que apresenta um ponto Ms excepcionalmente baixo. Ela aparece como uma faixa muito fina em forma tridimensional, com as faixas se cruzando e exibindo torções, ramificações e outras formas exclusivas, conforme mostrado na Figura 14c.

Fig. 14 Liga Fe-Ni-C resfriada até o ponto Ms

Microestrutura da martensita formada na mesma temperatura

A estrutura de microscopia eletrônica dessa martensita é mostrada na Fig. 15.

 Fig. 15 Estrutura de microscopia eletrônica da martensita lamelar (Fe-31%, Ni0.23% C, Ms=- 190 ℃, resfriado a - 196 ℃)

O material em exame é uma martensita Luan completa composta de (112) cristais Luan α' sem uma crista central, o que a distingue da martensita lamelar.

Foi observado que a morfologia da martensita 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 uma martensita lamelar explosiva, conforme mostrado na Figura 14a.

Quando Ms diminui para -150 ℃, uma pequena quantidade de martensita lamelar começa a aparecer, conforme mostrado na Figura 14b.

No ponto em que Ms cai para -171 ℃, toda a estrutura é composta de martensita lamelar (veja a Figura 14c).

Descobriu-se que a temperatura de transição da chapa lente para a 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 fica abaixo de -100 ℃.

À medida que a temperatura de transformação diminui, durante a transformação da martensita lamelar, não há apenas a formação contínua de novas folhas de martensita, mas também o espessamento das folhas de martensita antigas.

O espessamento das folhas de martensita antigas não é visível na martensita lamelar.

3.3 ε' Martensita

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 austenita, também pode ocorrer a formação de martensita ε' de treliça hexagonal densa.

Esse 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 frequentemente coexiste com α'-martensita.

A martensita ε' também é fina, conforme mostrado na Figura 16.

Ao longo da superfície (111) γ, widmanstatten com uma subestrutura caracterizada por inúmeras falhas de empilhamento.

Fig. 16 Microestrutura de martensita da liga Fe-16.4% Mn (corrosão por álcool nitrato)

2. Relação entre a composição química, a morfologia da martensita e a subestrutura interna das ligas

A presença de elementos de liga no aço tem um impacto crucial sobre a forma da martensita.

Um exemplo comum é que o formato da martensita nas ligas Fe-C e Fe-Ni muda de ripado para floco à medida que o teor da liga aumenta. Por exemplo, na liga Fe-C, abaixo de 0,3% de carbono, a martensita tem formato de ripa, enquanto acima de 1% de carbono ela passa a ter formato de floco. Na faixa de 0,3% a 1,0% de carbono, ambas as formas de martensita podem estar presentes.

No entanto, fontes diferentes podem apresentar concentrações inconsistentes que desencadeiam a transição de martensita lamelar para ripa. Essa variabilidade está ligada ao efeito da velocidade de resfriamento, com uma velocidade de resfriamento mais alta levando a uma concentração mínima de carbono mais baixa necessária para a formação de martensita dupla.

A Figura 17 ilustra o impacto do teor de carbono sobre o tipo de martensita, o ponto Ms e a quantidade de austenita retida em ligas Fe-C.

Fig. 17 Efeito do teor de carbono no ponto Ms, teor de martensita em ripas e austenita retida conteúdo (aço carbono temperado à temperatura ambiente)

A figura demonstra que o aço com um teor de carbono inferior a 0,4% quase não contém austenita retida.

À medida que o teor de carbono aumenta, o ponto Ms diminui, enquanto a quantidade de martensita de cristal Luan e austenita retida aumenta.

A Tabela 2 resume a relação entre a morfologia da martensita e a composição das ligas de ferro binárias.

Tabela 2 Morfologia da martensita das ligas binárias de Fe

A tabela demonstra que todos os elementos de liga na zona γ são transformados em martensita 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 mudança na morfologia da martensita.

Por exemplo, em ligas binárias, como Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt e outras, a morfologia da martensita se transforma de ripa em floco com o aumento do teor do elemento de liga.

No entanto, a adição de Mn, Ru e Ir pode reduzir bastante a energia de falha de empilhamento da austenita, resultando em uma mudança na morfologia da martensita de ripa para martensita ε' com um aumento no conteúdo do elemento de liga em ligas de ferro binárias.

As ligas de Fe-Cu e Fe-Co são exceções entre os elementos na zona γ expandida.

Embora o Cu faça parte do elemento da zona Y em expansão, a pequena quantidade de solução sólida em Fe leva a um ponto Ms relativamente estável e, portanto, apresenta a mesma tendência que as ligas da zona Y em contração.

A liga Fe-Co é única em comparação com outras ligas. Com o aumento do teor de Co, o ponto Ms aumenta, tornando-a um caso especial.

Em geral, há 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 martensita em relação à da liga binária.

Como mencionado anteriormente, as ligas Fe-Ni-C podem formar martensita em forma de ripa, borboleta, chapa lente e chapa fina. A relação entre a temperatura de formação dessas quatro formas de martensita e o teor de carbono e o ponto Ms é mostrada na Figura 18.

Fig. 18 Relação entre a morfologia da martensita, o teor de carbono e o ponto Ms da liga Fe-Ni-C

A figura mostra que a temperatura de formação da martensita 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 martensita em ligas à base de ferro.

Tabela 3 Características do sistema Fe Martensita

No aço, a martensita com teor de carbono inferior a 0,20% é geralmente considerada como tendo uma estrutura de rede cúbica centrada no corpo. A martensita com teor de carbono superior a 0,20% é considerada como tendo uma estrutura de rede tetragonal centrada no corpo.

Em geral, acredita-se que a martensita cúbica centrada no corpo em aço de baixo carbono é equivalente à martensita de deslocamento, enquanto a martensita tetragonal centrada no corpo é equivalente à martensita dupla de alto carbono. No entanto, nas ligas de Fe-Ni, a martensita dupla também pode ter uma estrutura cúbica centrada no corpo.

Como resultado, a relação entre a estrutura cristalina e a subestrutura permanece incerta.

3. Fatores que afetam a morfologia e a subestrutura da martensita

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 fatores que afetam essa mudança e não há um consenso claro.

Acredita-se amplamente que as mudanças morfológicas são essencialmente mudanças na subestrutura, e as perspectivas comuns incluem:

1. Ponto da Sra.

Os defensores desse ponto de vista acreditam que a morfologia da martensita depende da temperatura Ms.

Eles afirmam que, nas ligas de Fe-C, um aumento no teor de carbono resulta em uma diminuição na temperatura Ms.

Em temperaturas abaixo de uma determinada faixa (300-320 ℃), torna-se mais fácil formar gêmeos de transformação e a martensita lamelar resultante.

A Tabela 4 descreve a relação entre a morfologia da martensita, as características cristalinas do aço carbono, o teor de carbono e a temperatura Ms.

Tabela 4 Relação entre a morfologia da martensita e as características cristalográficas do aço carbono e o teor de carbono e o ponto Ms do aço

A transformação da morfologia da martensita de ripa 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 martensita. Em geral, acredita-se que a temperatura de formação da martensita de baixo carbono seja alta, com o plano (111) γ como o plano de hábito devido ao seu grande cisalhamento. Nessas altas temperaturas, é mais fácil ocorrer deslizamento do que geminação e há menos sistemas de cristal (111) γ na estrutura cúbica centrada na face, resultando em um número limitado de orientações iniciais para a formação de martensita, o que leva à formação de martensita agrupada dentro da mesma austenita.

À medida que a temperatura do ponto Ms diminui, a geminação se torna mais fácil de ocorrer do que o deslizamento, e o plano de hábito muda para (225) γ ou (259) γ. Essa mudança resulta em um número maior de sistemas de cristal e orientações iniciais para a formação de martensita, levando à formação de martensita lamelar de cristal de Li com folhas adjacentes não paralelas entre si dentro da mesma austenita.

Foi estabelecido que a formação de martensita em alta temperatura não pode resultar em martensita lamelar gêmea, mesmo que a austenita seja significativamente reforçada. O ponto Ms nas ligas Fe-Ni-C pode ser alterado com a mudança da temperatura de austenitização, permitindo a obtenção de diferentes pontos Ms na mesma liga.

Quando a temperatura de resfriamento é um pouco menor do que o ponto Ms correspondente, é possível observar a mudança na morfologia da martensita do formato de borboleta para o formato de folha. Além disso, a diminuição da temperatura de formação leva a um aumento da zona gêmea de transformação.

A morfologia da martensita induzida por deformação formada na mesma liga em várias temperaturas acima do ponto Ms também foi estudada, revelando que a morfologia da martensita muda com a mudança na temperatura de deformação (ou seja, a temperatura de formação da martensita induzida por deformação). Essas descobertas confirmam que a morfologia da martensita e a estrutura interna desse tipo de liga estão relacionadas exclusivamente ao ponto Ms.

Além disso, sob alta pressão e com a diminuição do ponto Ms, é mais provável que ocorram gêmeos de transformação, o que leva a uma mudança na morfologia da martensita de ripa para chapa, conforme mostrado na Fig. 19. Essa evidência experimental confirma a importância do ponto Ms.

Fig. 19 Efeito da pressão de 4000 MPa no ponto Ms e na estrutura de martensita da liga ferromagnética

No processo de formação real, várias martensitas são produzidas consecutivamente em temperaturas variáveis entre os pontos Ms e Mf.

A temperatura na qual cada cristal de martensita se forma é única e, portanto, a estrutura interna e a morfologia de cada cristal de martensita também são distintas.

Portanto, é mais preciso afirmar que a temperatura de formação, e não o ponto Ms, afeta a morfologia e a estrutura interna da martensita.

2. A energia de falha de empilhamento da austenita

De acordo com Kelly et al., eles propõem uma hipótese que afirma que quanto menor for a energia de falha de empilhamento da austenita, mais desafiador será produzir a transformação para cristais de bainita e mais provável será a formação de martensita em ripas.

Tanto o aço inoxidável 18-8 quanto a liga Fe-8% Cr-1.1% C têm energias de falha de empilhamento baixas. Na temperatura do nitrogênio líquido, forma-se martensita de deslocamento. Esse fenômeno é difícil de explicar usando a hipótese do ponto Ms, mas pode ser explicado por essa hipótese.

Além disso, na martensita lamelar da liga Fe-30~33% Ni, a zona gêmea de transformação aumenta à medida que o teor de Ni aumenta. Como o Ni é conhecido por aumentar a energia de falha de empilhamento da austenita, esse fenômeno experimental corrobora a hipótese.

É importante observar que esse fenômeno experimental também pode ser explicado pela teoria do ponto Ms, pois o Ni diminui o ponto Ms.

3. Resistência da austenita e da martensita

Recentemente, Davis e Magee propuseram uma hipótese sobre a relação entre a resistência da austenita e a morfologia da martensita. Eles usaram um método de liga para alterar a resistência da austenita e estudaram as mudanças resultantes na morfologia da martensita.

Os resultados revelaram que a morfologia da martensita muda com base na resistência do material austenítico resistência ao escoamento no ponto Ms, que é de aproximadamente 206 MPa. Acima desse limite, forma-se a martensita lamelar com um plano de hábito de {259} γ. Abaixo desse limite, forma-se a martensita em ripas com um plano de hábito de {111} γ ou a martensita lamelar com um plano de hábito de {225} γ.

Como resultado, Davis e Magee acreditam que a resistência da austenita é o principal fator que afeta a morfologia da martensita. Eles também investigaram mais a resistência da martensita. Quando a resistência da austenita é menor que 206 MPa, se a resistência da martensita resultante for alta, ela se forma como martensita {225}γ. Se a resistência da martensita for baixa, será formada a martensita {111}γ.

Essa hipótese pode ser aplicada para explicar as alterações morfológicas resultantes de mudanças na composição da liga ou no ponto Ms, especialmente a transformação de {111}γ para {225}γ em ligas Fe Ni e de {111}γ para {225}γ para {259}γ em ligas Fe-C.

Além disso, a hipótese fornece uma compreensão clara da formação da martensita {225}γ, que não era bem definida no passado. Ela é formada quando a austenita fraca se transforma em martensita forte.

Embora o carbono tenha efeitos limitados no fortalecimento da austenita, ele tem um impacto significativo no fortalecimento da martensita. A martensita {225}γ ocorre principalmente em sistemas de ligas com alto teor de carbono.

Essa hipótese se baseia no seguinte:

Se o relaxamento da tensão de transformação na martensita ocorrer somente por meio da deformação de geminação, a martensita resultante terá o plano de hábito {259} γ.

Quando o relaxamento da tensão de transformação é realizado parcialmente na austenita por meio do modo de deslizamento e parcialmente na martensita por meio do modo de geminação, a martensita terá o plano de hábito {225} γ.

Se a martensita também passar pelo modo de deslizamento, o plano de hábito será {111} γ.

Os resultados experimentais sugerem que essa hipótese está parcialmente correta, mas ainda são necessárias mais pesquisas no futuro.

Deve-se observar que a resistência da austenita e da martensita, conforme descrito nessa hipótese, está intimamente relacionada a vários fatores, como composição da liga, tipo, ponto Ms, energia de falha de empilhamento austenítico e outros. Portanto, essa hipótese não pode ser considerada isolada.

4. Tensão de cisalhamento crítica de deslizamento de martensita e deformação dupla

Essa hipótese enfatiza que a estrutura interna da martensita 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 cisalhamento crítica de deslizamento ou geminação da martensita e a temperatura de Ms e Mf na formação da morfologia da martensita.

Fig. 20 Diagrama esquemático da influência da tensão crítica de cisalhamento e da temperatura Ms Mf na morfologia da martensita causada por deslizamento ou geminação da martensita

As setas na figura representam as direções potenciais de movimento para as linhas correspondentes, que são causadas por alterações na composição da liga. O movimento das linhas leva ao movimento da interseção das curvas de deslizamento duplo.

A partir da figura, pode-se observar que, para o aço com baixo teor de carbono (em que os pontos Ms e Mf são altos), a tensão crítica de cisalhamento necessária para o deslizamento é menor do que a necessária para a geminação, resultando na formação de martensita lamelar com alta densidade de deslocamentos. Por outro lado, no aço com alto teor de carbono (em que os pontos Ms e Mf são baixos), a tensão crítica de cisalhamento necessária para a geminação é pequena, resultando na formação de martensita lamelar com um grande número de gêmeos.

No caso de teor médio de carbono, os pontos Ms e Mf são os mostrados na figura. Durante a transformação martensítica, forma-se primeiro a martensita em forma de ripa, seguida pela martensita lamelar. Isso resulta em uma estrutura mista de ambos os tipos de martensita.

Embora essa visão pareça ser fundamentalmente correta, os fatores que causam alterações na tensão de cisalhamento e como a composição da liga ou o ponto Ms influencia a tensão de cisalhamento crítica para o escorregamento martensítico ou a geminação ainda não estão claros.

Alguns acreditam que o aumento da força motriz da transformação leva à transformação em martensita lamelar. Para ligas Fe-C, o limite da força motriz para a mudança na morfologia da martensita é de 1.318 J/mol, e para ligas Fe-Ni, varia de 1.255 a 1.464 J/mol. Outros acreditam que o aumento do conteúdo de C e N na martensita, que causa a ordenação, está intimamente relacionado à transformação morfológica.

4. Formação de microtrincas de martensita lamelar na liga Fe-C

Quando o aço de alto carbono é temperado, ele é suscetível à formação de microfissuras na martensita.

Anteriormente, acreditava-se que essas microfissuras eram resultado de microestresse causado pela expansão do volume durante a transformação martensítica.

No entanto, observações metalográficas recentes revelaram que a formação de microfissuras se deve, na verdade, à colisão de martensita em crescimento, conforme ilustrado na Figura 21.

Figura 21. Diagrama esquemático de microfissuras formadas pela colisão de duas folhas de martensita Fe-C. (A seção A-A representa a seção transversal de uma folha de martensita que se difundiu em duas folhas de martensita. (A seção A-A representa a seção transversal de uma folha de martensita, que se difundiu em duas folhas de martensita).

A formação de martensita ocorre rapidamente. Quando as folhas de martensita colidem umas com as outras ou com um limite de grão de austenita, um campo de tensão significativo é gerado devido ao impacto.

Como a martensita com alto teor de carbono é extremamente frágil e não pode ser aliviada por deslizamento ou deformação dupla, ela é propensa a formar trincas de impacto.

Esse defeito inerente aumenta a fragilidade do aço martensítico de alto carbono.

Sob a influência de outros fatores de estresse, como estresse térmico e estresse estrutural, as microfissuras se transformarão em macrofissuras.

A presença de microfissuras também reduzirá significativamente a vida útil dos componentes à fadiga.

As microfissuras na martensita lamelar da liga Fe-C geralmente ocorrem na junção de várias agulhas radiais de martensita ou dentro das agulhas de martensita, conforme ilustrado na Figura 22.

Fig. 22 Características microscópicas ópticas das microfissuras na martensita da liga Fe-1.39% C

A sensibilidade da formação de microfissuras na martensita é geralmente expressa em termos da área de microfissuras por unidade de volume de martensita (Sv).

Evidências experimentais sugerem que a sensibilidade da martensita à formação de microfissuras é influenciada por vários fatores, inclusive:

1. Efeito da temperatura de resfriamento de têmpera

Com a diminuição da temperatura de resfriamento da têmpera, a quantidade de austenita retida (representada por γR) na estrutura do aço resfriado diminui, resultando em um aumento na quantidade de martensita e na sensibilidade à formação de microrrachaduras, conforme mostrado na Figura 23.

Fig. 23 Relação entre a sensibilidade à formação de microfissuras da martensita Fe-C e a temperatura de resfriamento (1,39% C, aquecida a 1200 ℃ por 1 hora)

2. Efeito da quantidade de transformação de martensita

A Figura 24 ilustra a relação entre a quantidade de transformação de martensita e a suscetibilidade à formação de microfissuras.

Fig. 24 A relação entre a sensibilidade à microtrinca (SV) da formação de martensita na liga Fe-1.86% C e o volume médio (V) de cada peça de martensita, o número de folhas de martensita em unidade de volume (NV) e a transformação da martensita:

De acordo com a figura, a sensibilidade à formação de microfissuras (Sv) aumenta com o aumento da variável de transformação da martensita; no entanto, quando a fração de transformação (f) excede 0,27, Sv não continua a aumentar.

Embora o número de martensita por unidade de volume (Nv) aumente, o tamanho da folha de martensita formada, representado pelo volume médio (V) de um pedaço de martensita, diminui devido à divisão contínua da austenita.

Assim, o tamanho da folha de martensita (V) pode ter um valor crítico que afeta a sensibilidade (Sv) à formação de microfissuras. Se V exceder esse valor crítico, a sensibilidade à formação de microfissuras (Sv) aumentará com o aumento da fração de transformação.

Em conclusão, a formação de trincas é predominantemente determinada pelo tamanho das folhas de martensita. Embora o número total e a área das trincas possam aumentar com o aumento da variável de transformação da martensita, os grandes flocos de martensita formados no estágio inicial fazem com que a maioria das trincas seja formada durante os estágios iniciais da transformação.

3. Efeito do comprimento da chapa de martensita

O experimento mostra que, à medida que o comprimento da folha de martensita aumenta (ou seja, o tamanho máximo da folha cresce), a suscetibilidade da martensita à formação de microrrachaduras também aumenta, conforme mostrado na Figura 25.

Fig. 25 Relação entre a sensibilidade da formação de microfissuras e o comprimento da folha de martensita (o número ao lado do ponto é o conteúdo de martensita%)

As folhas longas de martensita são mais suscetíveis ao impacto de outras folhas de martensita devido ao seu tamanho. Além disso, elas tendem a se cruzar com grãos de austenita, aumentando a probabilidade de encontrar limites de grãos.

Os experimentos mostraram que as microfissuras são formadas predominantemente na martensita grossa, enquanto a martensita fina raramente resulta na formação de microfissuras.

Como resultado, é provável que haja um tamanho crítico de martensita para a ocorrência de microfissuras na martensita. Da mesma forma, se a composição da austenita for relativamente uniforme, haverá um tamanho crítico de grão de austenita abaixo do qual as microfissuras não ocorrerão.

A ideia de que os grãos finos de austenita podem reduzir as microfissuras em aço de alto carbono temperado foi implementada na produção. No entanto, ainda não está claro se a sensibilidade às microfissuras depende do tamanho da própria folha de martensita ou do campo de tensão gerado pelo crescimento das folhas de martensita do tamanho crítico.

4. Efeito do tamanho de grão da austenita

No caso da austenita homogênea, o comprimento das folhas de martensita formadas no estágio inicial está ligado ao tamanho dos grãos de austenita. Grãos de austenita grosseiros resultam na formação de martensita grosseira, que é mais propensa à formação de microfissuras.

Os resultados experimentais, conforme mostrado na Figura 26, apóiam essa ideia. Os resultados indicam que o aço com alto teor de carbono é mais propenso a rachaduras quando temperado em temperaturas mais altas.

Portanto, geralmente recomenda-se selecionar uma temperatura de resfriamento mais baixa para o resfriamento de aço com alto teor de carbono.

Fig. 26 Efeito do tamanho do grão de austenita do aço carbono (1.22% C) na sensibilidade de microfissuras em campo

5. Efeito do teor de carbono na martensita

O efeito do teor de carbono na formação de microfissuras na martensita é demonstrado na Figura 27.

Fig. 27 Efeito do teor de carbono na martensita sobre a sensibilidade às microfissuras

A Figura 27 mostra que a probabilidade de formação de microfissuras aumenta à medida que o teor de carbono na martensita aumenta.

No entanto, se o teor de carbono na austenita for maior que 1,4%, a suscetibilidade à formação de microfissuras diminui. Isso está relacionado ao plano de hábito do cristal durante a transformação martensítica.

Quando o teor de carbono no aço excede 1,4%, o formato da martensita muda. As folhas se tornam mais grossas e mais curtas, o ângulo entre as folhas de martensita se torna menor 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-carbono 1.39% diminui significativamente com a redução do teor de carbono na martensita. Os dados são apresentados para um tamanho de grão de 3.

A análise metalográfica indica que a redução da sensibilidade à microfissura está associada à presença de mais martensita de crescimento paralelo na microestrutura.

A martensita de ripas tem alta plasticidade e resistência, e o risco de impacto mútuo é reduzido devido ao crescimento paralelo da martensita de ripas, o que leva a uma baixa sensibilidade a microfissuras.

Como mencionado anteriormente, o aço com alto teor de carbono é suscetível a rachaduras devido à sua estrutura de grãos de austenita grossa e ao alto teor de carbono na martensita. Para atenuar isso, o processo de produção tende a usar temperaturas de aquecimento mais baixas e tempos de espera mais curtos para diminuir o teor de carbono na martensita e obter grãos mais finos.

Em geral, os aços hipereutetoides, que passam por têmpera incompleta, produzem martensita criptocristalina, que é menos propensa a microfissuras. É por isso que eles têm excelentes propriedades gerais.