Você já se perguntou o que acontece com o aço quando ele esfria? Neste artigo, exploramos as fascinantes transformações que ocorrem, como as estruturas Widmanstatten e Martensita. Você aprenderá como essas mudanças afetam as propriedades do aço e por que elas são importantes em aplicações do mundo real. Prepare-se para descobrir os segredos por trás da resistência e da durabilidade do aço!
Na produção real, o aço hipoeutetóide com teor de carbono (ωc) inferior a 0,6% e o aço hipereutetóide com teor de carbono superior a 1,2% são resfriados por ar após a fundição, laminação a quente e forjamento. O costura de solda ou zona afetada pelo calor é resfriada pelo ar ou, quando a temperatura é muito alta, é resfriada rapidamente. Isso resulta no crescimento e na precipitação de ferrita pré-eutetóide ou cementita pré-eutetóide a partir do limite de grão da austenita ao longo de determinados planos de cristal da austenita, em forma de agulha.
Em um microscópio metalográfico, é possível observar a presença de ferrita ou cementita acicular quase paralela ou regularmente disposta e a estrutura de perlita entre elas. Essa estrutura é chamada de Widmanstätten, e a figura a seguir ilustra a Widmanstätten da ferrita e da cementita.
A ferrita Widmanstatten é formada por meio de um mecanismo de cisalhamento, semelhante ao processo da bainita. Isso resulta em uma amostra convexa.
Devido à alta taxa de resfriamento durante a formação, a ferrita só pode precipitar ao longo de uma superfície de cristal específica de austenita e tem uma relação de orientação cristalina com sua fase principal, a austenita.
A formação de ferrita acicular pode ocorrer diretamente da austenita ou a ferrita em rede pode ser precipitada ao longo dos limites de grão da austenita e crescer no cristal em paralelo.
À medida que a ferrita de Widmanstatten se forma, o carbono se difunde da ferrita para a fase principal, a austenita, em ambos os lados, causando a teor de carbono da austenita entre as agulhas de ferrita para aumentar continuamente e, por fim, transformar-se em perlita.
A ferrita Widmanstatten formada pelo mecanismo de transformação da bainita é, na verdade, bainita sem carbono.
A formação da estrutura Widmanstatten depende do teor de carbono, do tamanho de grão da austenita e da taxa de resfriamento (temperatura de transformação) do aço.
A figura a seguir ilustra a temperatura de formação e a faixa de teor de carbono para várias ferritas e cementita. Como se vê na figura, a estrutura Widmanstatten (zona W) só pode se formar sob taxas de resfriamento relativamente rápidas e dentro de uma faixa específica de teor de carbono.
No caso do aço hipoeutetoide, se a fração de massa de carbono exceder 0,6%, será difícil formar a estrutura Widmanstatten devido ao seu alto teor de carbono e à baixa probabilidade de formar uma zona pobre em carbono.
A pesquisa mostra que, no caso do aço hipoeutetóide, a estrutura de Widmanstatten só pode se formar quando o teor de carbono estiver dentro de uma faixa estreita de ωc = 0,15% a 0,35% e a taxa de resfriamento for rápida, com um tamanho de grão de austenita fino.
Quanto mais fino for o grão de austenita, mais fácil será formar a ferrita de rede, mas não a estrutura de Widmanstatten. Por outro lado, quanto mais grosso for o grão de austenita, mais fácil será formar a estrutura de Widmanstatten, e a faixa de teor de carbono necessária para formá-la se torna mais ampla.
Assim, a estrutura Widmanstatten é normalmente observada em aço com uma estrutura de grãos de austenita grossa.
(1) Widmanstatten é um tipo de estrutura superaquecida no aço que pode ter um impacto negativo nas propriedades mecânicas do aço. Isso inclui uma redução na resistência ao impacto e na plasticidade, bem como um aumento na temperatura de transição frágil, tornando o aço mais propenso a fraturas frágeis.
(2) É amplamente reconhecido que a resistência e a tenacidade ao impacto do aço são significativamente reduzidas somente quando o grão de austenita se torna mais grosseiro, aparece uma estrutura de Widmanstatten de ferrita grossa ou cementita e a matriz é seriamente fragmentada.
No entanto, quando o grão de austenita é relativamente fino, mesmo que haja uma pequena quantidade de estrutura de Widmanstatten de ferrita acicular presente, as propriedades mecânicas do aço não sofrerão impacto significativo. Isso se deve à subestrutura mais fina e à maior densidade de deslocamento da ferrita na estrutura Widmanstatten.
(3) A redução das propriedades mecânicas do aço devido à estrutura de Widmanstatten está sempre relacionada ao engrossamento dos grãos de austenita. Se a estrutura de Widmanstatten aparecer no aço ou no aço fundido e reduzir suas propriedades mecânicas, a primeira etapa é considerar se ela é causada pelo engrossamento do grão de austenita devido a altas temperaturas de aquecimento.
(4) No caso de aços propensos à estrutura Widmanstatten, ela pode ser evitada ou eliminada por meio do controle adequado do processo de laminação, da redução da temperatura final de forjamento, do controle da taxa de resfriamento após o forjamento ou da alteração do 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 resfriado rapidamente a partir do estado austenítico para evitar sua decomposição difusiva (abaixo da Ponto MS) é conhecida como transformação martensítica.
É importante observar que a transformação é característica da martensita e os produtos da transformação são todos chamados de martensita.
(2) Martensita: Em essência, a martensita no aço é uma solução sólida intersticial em que o carbono é supersaturado em α-Fe.
2. Cristal estrutura da martensita
A estrutura cristalina martensítica pode assumir as seguintes formas:
3. Microestrutura da martensita
Há duas formas básicas de martensita no aço: martensita em ripas (martensita de deslocamento) e martensita lamelar (também conhecida como martensita agulha).
(1) Martensita de ripas
A martensita 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 martensita (D) → feixe de martensita (B-2; C-1) → grupo de ripas (3-5) → ripa de martensita.
b) As ripas densas geralmente são separadas por austenita residual com alto teor de carbono.
A presença dessa fina camada de austenita residual pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas do aço.
c) Há um grande número de deslocamentos na martensita de ripas, e a distribuição desses deslocamentos não é uniforme.
Ela forma uma subestrutura celular, chamada de célula de deslocamento, por isso também é chamada de martensita de deslocamento.
(2) Martensita lamelar
A martensita lamelar é encontrada em aço de alto carbono (ωC > 0,6%), aço inoxidável de níquel (ωNi = 30%) e em alguns metais e ligas não ferrosos.
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(a) Morfologia estrutural: A morfologia espacial da martensita lamelar tem a forma de uma lente convexa.
Devido ao corte da amostra durante o polimento, sua seção transversal aparece como uma agulha ou uma folha de bambu sob o microscópio óptico.
Portanto, a martensita lamelar também é conhecida como martensita tipo agulha ou martensita tipo folha de bambu.
(b) Características da microestrutura: As folhas de martensita na martensita lamelar não são paralelas umas às outras.
Em um grão de austenita, a martensita formada pela primeira folha geralmente abrange todo o grão de austenita e é dividida em duas partes, fazendo com que o tamanho das folhas de martensita formadas posteriormente se torne cada vez menor.
(c) Tamanho: O tamanho máximo da martensita lamelar depende do tamanho original do grão de austenita. Quanto maior o grão de austenita, mais grossa será a folha de martensita.
(d) Martensita criptocristalina: Quando a maior parte da martensita é pequena demais para ser distinguida por um microscópio óptico, ela é chamada de "martensita criptocristalina".
A martensita obtida por meio do resfriamento normal na produção geralmente está na forma de martensita criptocristalina.
(e) Subestrutura: A subestrutura da martensita lamelar é principalmente geminada, razão pela qual também é chamada de martensita gêmea.
Em geral, os gêmeos estão localizados no centro da martensita e não se estendem à região da borda da folha de martensita. A região da borda contém deslocamentos de alta densidade.
No aço com um teor de carbono de ωC > 1,4%, uma região gêmea fina com alta densidade pode ser vista na linha de crista média da folha de martensita.
(f) Microfissuras: A rápida formação de martensita gera um campo de tensão considerável quando colide com outros limites de grãos de martensita ou austenita.
A martensita lamelar é dura e quebradiça, e a tensão não pode ser relaxada por deslizamento ou deformação dupla, o que a torna suscetível a rachaduras por impacto.
Em geral, quanto maior o grão de austenita e quanto maior a folha de martensita, mais microfissuras se formarão após a têmpera. A presença de microfissuras aumenta a fragilidade das peças de aço com alto teor de carbono.
Sob a influência de estresse internoSe a peça de trabalho não for tratada, as microfissuras acabarão se expandindo e se transformando em macrofissuras, levando à rachadura da peça de trabalho ou a uma redução perceptível em sua vida útil à fadiga.
(g) Morfologia: A morfologia da martensita depende principalmente do teor de carbono da austenita e está relacionada à temperatura de início da transformação da martensita (ponto MS) do aço.
Quanto maior o teor de carbono da austenita, menores serão os pontos MS e MF.
| Conteúdo de carbono | Forma | Temperatura de formação (geral) |
| ωC＜0,2% | martensita de ripas | Acima de 200 ℃ |
| ωC>0,6% | placa de martensita | Abaixo de 200 ℃ |
| ωC=0,2%~1% | Estrutura mista de ripas e chapas | O cavalo de prancha é formado primeiro e, em seguida, o cavalo de peça é formado |
(h) Influência dos elementos na morfologia da martensita: Elementos como Cr, Mo, Mn e Ni (que diminuem o ponto MS) e Co (que aumenta o ponto MS) aumentam a probabilidade de formação de martensita lamelar.
4. Propriedades da martensita
(1) Propriedades mecânicas: A martensita é caracterizada por altas resistência e dureza.
(2) Efeito do teor de carbono nas propriedades: A dureza da martensita depende principalmente de seu teor de carbono.
Quando ωC < 0,5%, a dureza da martensita aumenta acentuadamente com o aumento do teor de carbono.
No entanto, quando ωC > 0,6%, embora a dureza da martensita aumente, a dureza do aço diminui devido à presença de uma quantidade maior de austenita residual.
(3) Influência dos elementos de liga: Os elementos de liga têm um efeito mínimo sobre a dureza da martensita, mas podem aumentar sua resistência.
(4) Dureza: A martensita tem níveis variados de dureza e resistênciaque são obtidos principalmente por meio do fortalecimento da solução, do fortalecimento da transformação de fase e do fortalecimento do envelhecimento.
Os detalhes são os seguintes:
Fortalecimento da solução sólida: A presença de átomos intersticiais na lacuna octaédrica da estrutura da fase α cria uma distorção quadrada na estrutura, o que gera um campo de tensão.
Esse campo de tensão interage fortemente com os deslocamentos, aumentando assim a resistência da martensita.
Fortalecimento da transformação de fase: Durante a transformação em martensita, defeitos de rede de alta densidade são formados no cristal. Os deslocamentos de alta densidade na martensita de ripas e os gêmeos na martensita lamelar inibem o movimento de deslocamento, fortalecendo assim a martensita.
Reforço por envelhecimento: Após a formação da martensita, o carbono e o elementos de liga se difundem, segregam ou precipitam nos deslocamentos ou em outros defeitos de rede, fixando os deslocamentos e dificultando sua movimentação, fortalecendo assim a martensita.
(5) Resistência da martensita: Quanto menor for o tamanho do grupo ou da folha de martensita, maior será a resistência da martensita. Isso ocorre porque a interface de fase da martensita impede o movimento de deslocamento, e quanto menor o grão de austenita original, maior a resistência da martensita.
A plasticidade e a resistência da martensita dependem principalmente de sua subestrutura. A martensita dupla tem alta resistência, mas baixa tenacidade, enquanto a martensita de deslocamento tem alta resistência e boa tenacidade.
(6) Volume da martensita: Entre as várias estruturas do aço, a austenita tem o menor volume específico e a martensita tem o maior volume específico.
Assim, a expansão do volume do aço durante a têmpera é um fator importante na geração de grandes estresse internoA peça de trabalho pode apresentar deformações, deformações e até mesmo rachaduras.
A força motriz por trás da transformação da martensita, como em outras transformações de fase sólida, é a diferença de energia livre química por unidade de volume entre a nova fase (martensita) e a fase original (austenita). A resistência a essa mudança de fase também é 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 austenita e a martensita, a energia da interface é pequena. A grande energia de deformação coerente, causada pela diferença significativa no volume específico entre a martensita e a austenita e a necessidade de superar a resistência ao cisalhamento e gerar vários defeitos de rede, leva ao aumento da energia de deformação elástica e à grande resistência à transformação da martensita. Como resultado, é necessário um sub-resfriamento suficiente para garantir que a força motriz da transformação supere a resistência à transformação, permitindo que ocorra a transformação de austenita em martensita.
A temperatura inicial da transformação da martensita, indicada como "ms", é definida como a temperatura na qual a diferença de energia livre entre a martensita e a austenita atinge a força motriz mínima necessária para a transformação.
A transformação da martensita é uma transformação da austenita subresfriada que ocorre em baixas temperaturas.
Em comparação com a transformação de perlita e a transformação de bainita, a transformação de martensita tem as seguintes características distintas:
A transformação da martensita ocorre quando a austenita é sub-resfriada. Nesse momento, a atividade dos átomos de ferro, dos átomos de carbono ou dos elementos de liga é muito baixa, de modo que a transformação ocorre sem difusão. Há apenas uma reconstrução das regras de rede, e não há alteração 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, atuando no mesmo objeto. Durante a transformação da martensita, a superfície superior do corpo de prova pré-polido se inclina e se torna convexa, o que demonstra que a transformação da martensita está diretamente relacionada às propriedades macroscópicas da fase original e que a martensita é formada por cisalhamento.
A martensita e sua fase principal, a austenita, permanecem coerentes, com átomos na interface pertencentes tanto à martensita quanto à austenita. A interface de fase é um limite de grão coerente com o cisalhamento, também conhecido como plano de hábito.
A transformação da martensita é um processo de transformação de fase no qual a nova fase é formada em planos específicos de cristal e de hábito da fase original e mantém a coerência por meio do cisalhamento da fase original.
Nucleação de martensita
A nucleação de martensita não é uniforme em toda a liga, mas ocorre em posições favoráveis dentro da fase original, como defeitos de rede, regiões de deformação ou regiões pobres em carbono.
Processo de transformação martensítica
Como outras transições de fase em estado sólido, a transformação da martensita também ocorre por meio de 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 alta mesmo em baixas temperaturas.
Taxa de transformação de martensita
A taxa de transformação da martensita 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 subresfriamento, menor será o tamanho crítico de nucleação. É necessário um resfriamento adicional para que os núcleos menores se nucleiem e se transformem em martensita.
Para aço carbono industrial geral e liga de açoA transformação da martensita ocorre durante o resfriamento contínuo (temperatura variável). A austenita no aço é resfriada abaixo do ponto MS em uma velocidade maior do que a velocidade crítica de resfriamento, resultando na formação imediata de alguma martensita. A transformação não tem período de incubação e, com a diminuição da temperatura, forma-se mais martensita, sendo que a primeira martensita formada não cresce. A transformação martensítica aumenta à medida que a temperatura diminui.
A quantidade de transformação da martensita é determinada exclusivamente pela temperatura atingida durante o resfriamento e não é influenciada pelo tempo de retenção.
Austenita retida
Se o ponto Ms do aço com alto teor de carbono e de muitos aços-liga estiver acima da temperatura ambiente e o ponto Mf estiver abaixo da temperatura ambiente, uma quantidade significativa de austenita não transformada permanecerá após a têmpera e o resfriamento até a temperatura ambiente, o que é conhecido como austenita retida.
Para transformar totalmente o austenita retidaSe o produto for usado em uma máquina, ele pode ser submetido a um "tratamento a frio", como ser colocado em nitrogênio líquido.
Os fatores que afetam a quantidade de austenita retida incluem maior teor de carbono e a presença de elementos que reduzem a MS.
Estabilização mecânica de austenita retida
A estabilização mecânica da austenita refere-se ao fenômeno de estabilização causado por uma grande deformação plástica ou tensão compressiva durante a têmpera. A austenita retida está relacionada à estabilização mecânica. A austenita cercada por martensita está em um estado comprimido e incapaz de se transformar, o que leva à sua retenção.
Martensita induzida por deformação (Martensita deformada)
A deformação plástica da austenita acima do ponto MS pode resultar na transformação da martensita. Quanto maior a quantidade de deformação, maior a quantidade de transformação da martensita. Isso é chamado de transformação de martensita induzida por deformação.
A reversibilidade se refere à capacidade de alguns metais não ferrosos, como ferro, ouro, níquel e outros, de transformar a austenita em martensita após o resfriamento e, em seguida, voltar à austenita após o reaquecimento sem difusão.
No entanto, essa transformação reversa de acordo com o mecanismo de transformação da martensita geralmente não ocorre no aço-carbono, pois a martensita se decompôs em ferrita e carboneto durante o aquecimento. Esse processo é conhecido como têmpera.
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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