A estrutura da martensita obtida por têmpera desempenha um papel crítico na transmissão de resistência e tenacidade ao aço.
No entanto, devido a variações no tipo, composição e condições de tratamento térmico do aço, a morfologia, a estrutura fina interna e a suscetibilidade a microfissuras da martensita temperada podem variar significativamente.
Estas mudanças têm um impacto profundo nas propriedades mecânicas da martensita.
Portanto, é imperativo ter um conhecimento profundo 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 extensivamente estudadas usando microscopia eletrônica de transmissão de filme fino.
A pesquisa revelou que embora a morfologia da martensita no aço possa ser diversa, suas características podem normalmente ser divididas nas seguintes categorias:
1. Martensita treliçada
A martensita de ripa é uma estrutura de martensita 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 martensita ripada em aço macio.
Fig. 1 Tira de Martensita 100X de Liga de Aço com Baixo Carbono (0,03% C, 2% Mn)
A microestrutura de certos aços é composta por numerosos grupos de ripas, razão pela qual é chamada de martensita de ripas.
Em alguns casos, a ripa não é facilmente exposta ou gravada e, em vez disso, parece em blocos, levando ao seu nome alternativo, martensita em blocos.
Como a subestrutura primária deste tipo de martensita é a luxação, ela é comumente chamada de martensita de luxação.
A martensita cluster é composta por vários grupos de ripas, com cada grupo de tiras consistindo em múltiplas 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 ripada.
Fig. 2 Microestrutura de transmissão de filme fino de aço de liga de baixo carbono (0,03% C, 2% Mn) 20000X
Além disso, gêmeos de transformação de fase podem existir 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 cristalina entre a martensita ripada e sua austenita parental é normalmente chamada de relação Kurdjumov-Sachs (KS), com o plano do hábito sendo (111)γ.
No entanto, no caso do aço inoxidável 18-8, o plano habitual da martensita ripada é (225)γ.
A Figura 3 ilustra as características cristalográficas da microestrutura da martensita ripada, conforme determinado pela pesquisa.
Fig. 3 Diagrama esquemático das características cristalográficas da microestrutura da martensita ripada
Uma grande área composta por feixes de ripas de martensita dispostos em paralelo é chamada de grupo de ripas e é denotada por A.
Um único grão de austenita primária pode conter vários grupos de ripas, normalmente variando de 3 a 5.
Cada grupo de tiras pode ser dividido em múltiplas regiões paralelas, como B mostrado na figura.
Em alguns casos, quando certas soluções são usadas para corrosão, apenas o limite do grupo de ripas é visível, resultando em uma aparência em bloco da microestrutura, daí o nome martensita em bloco.
Quando técnicas de gravação colorida são empregadas, como 100 cc de HCl + 5g de CaCl2 + 100cc CH3Solução CH, tons de preto e branco podem ser observados dentro do grupo de ripas.
Regiões com a mesma tonalidade correspondem a ripas de martensita com a mesma orientação e são denominadas vigas homotrópicas.
De acordo com a relação de orientação Kurdjumov-Sachs (KS), a martensita pode exibir 24 orientações diferentes na austenita original, incluindo seis orientações que podem gerar martensita ripada em paralelo (consulte a Figura 4).
Fig. 4 Martensita (111) em aço γ Orientação possível durante a conformação no plano
Um feixe isopático refere-se a um feixe de ripas que foram transformadas a partir de uma das ripas.
Vários feixes colineares paralelos se combinam para formar um grupo de faixas.
Alguns pesquisadores sugerem que dentro de um grupo de ripas, apenas dois grupos podem alternar suas posições.
Portanto, um grupo de ripas é normalmente composto por dois grupos de vigas de ripas alinhadas que se alternam entre si e também podem alternar entre si em limites de grão de grande ângulo. Porém, 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 em paralelo, conforme representado em D na Figura 3.
Este cenário pode ser observado através de microscopia eletrônica, conforme demonstrado na Figura 5.
Fig. 5 Algumas microestruturas no feixe isotrópico de martensita ripada em 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.
Fig. 6 Distribuição de tiras de tecnologia de filme e 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 distorcida em direção às ripas de menor tamanho. No entanto, uma pequena proporção de ripas tem largura de 1 a 2 μm.
A Figura 7 ilustra que ripas maiores são frequentemente distribuídas por todo o feixe de ripas, o que é uma característica chave da microestrutura do feixe de ripas.
Fig. 7 Microestrutura da martensita ripada em liga Fe-0,2% C (micrografia eletrônica de transmissão)
Resultados experimentais indicam que a alteração da temperatura de austenitização altera o tamanho do grão da austenita, mas tem impacto mínimo na distribuição da largura da ripa.
No entanto, o tamanho do grupo de ripas aumenta à medida que o tamanho do grão da austenita aumenta, enquanto a relação entre os dois permanece aproximadamente constante. Assim, o número de grupos de ripas gerados num grão austenítico normalmente permanece inalterado.
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 do cristal de pequeno ângulo no feixe de ripas é cerca de 5 vezes maior que a dos limites do cristal de grande ângulo.
Na liga Fe-Cr-Ni baseada em aço inoxidável 18-8, tanto a martensita lath quanto a ε'-martensita (rede hexagonal compactada) podem ser geradas, resultando em uma microestrutura que difere significativamente daquela da liga Fe-C, conforme mostrado na Figura 8.
Fig. 8 Microestrutura de martensita de liga de Fe-15% Cr-12 e Ni (Ms = – 90 °) (água régia, corrosão por glicerina)
A estrutura não contém grupos de ripas ou feixes simposicionais; em vez disso, ele é criado como um grupo de ripas finas envolvendo uma folha de ε'-martensita (como mostrado nas tiras paralelas na figura).
No entanto, a estrutura microscópica eletrônica desta martensita ripada é idêntica àquela encontrada nas ligas 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 temperados de alto e médio carbono e ligas de alto Ni Fe Ni.
A estrutura típica de martensita lamelar em aço de alto carbono é mostrada na Fig.
Fig. 9 Estrutura de têmpera superaquecida de aço T12A 400X (aquecido a 1000 ℃, temperado com água)
Este tipo específico de martensita é conhecido por vários nomes, como martensita lenticular, devido ao seu formato biconvexo semelhante a uma lente. É também referida como martensita acicular ou martensita de folha de bambu, porque quando observada ao microscópio cruzando 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 por gêmeos e, portanto, também é chamada de martensita gêmea. A microestrutura da martensita lamelar é caracterizada pelo fato das lamelas não serem paralelas entre si.
Quando um grão austenítico com composição uniforme é resfriado a uma temperatura ligeiramente inferior a Ms, a primeira martensita formada percorrerá todo o grão austenítico e o dividirá em duas metades. Isto limita o tamanho da martensita formada posteriormente, resultando em tamanhos variados de martensita lamelar. Conforme ilustrado 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 frequentemente ser vista com crista média óbvia (ver Fig. 11).
Fig. 11 Martensita em flocos (com crista intermediária óbvia, 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 pai é a relação Kurdjumov-Sachs (KS) ou a relação Xishan.
Conforme mostrado na Figura 12, a martensita contém numerosas linhas finas que são cristais de transformação Luan, enquanto as nervuras finas em faixas na parte central da articulação 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 uma matriz de discordâncias complexa, que geralmente se acredita serem discordâncias em parafuso dispostas regularmente na direção (111) α´.
A transformação do cristal Lüders em martensita lamelar é geralmente um cristal (112)α´ Lüders.
Entretanto, na liga Fe-1,82% C (c/a=1,08), um cristal (110) Lüders se misturará com um cristal (112)α´ Lüders.
Dependendo da subestrutura interna da martensita lamelar, ela pode ser dividida em área gêmea de transformação (parte intermediária) centrada na crista média e área livre gêmea (na parte circundante da lamela há deslocamentos).
A proporção de zonas duplas varia com a composição da liga.
Nas ligas Fe-Ni, quanto maior o teor de Ni (quanto menor o ponto Ms), maior será a zona dupla.
De acordo com pesquisas em liga Fe-Ni-C, mesmo para uma liga com a mesma composição, a proporção da zona dupla aumenta com a diminuição do ponto Ms (como causado pela alteração da temperatura de austenitização).
No entanto, a densidade dos gêmeos de transformação quase não muda, e a espessura dos gêmeos permanece em cerca de 50 Å.
A martensita ripada e a martensita lamelar são as duas morfologias de martensita mais básicas em aço e liga.
Suas características morfológicas e cristalográficas estão listadas na Tabela 1.
Tabela 1 Tipos e características de martensita em ligas de ferro carbono
| Características | Martensita de ripa | Martensita lamelar | |
| Superfície habitual | （111）γ | （225）γ | （259）γ |
| relação de orientação | Relacionamento KS (111) γ lll（110） α ´【110】 γ 【111】 α.' | Relacionamento KS (111) γ lll（110） α ´【110】 γ 【111】 α.' | Relacionamento 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 em 0,3~1 | |||
| Histomorfologia | As ripas são geralmente dispostas em grupos paralelos desde o limite do grão de austenita até o interior do grão, e a largura da ripa é geralmente de 0,1 ~ 0,2 μ, comprimento inferior a 10 μ. Um grão austenítico contém vários grupos de ripas. Existem limites de grão de pequeno ângulo entre corpos de ripas e limites de grão de grande ângulo entre grupos de ripas. | A lâmina convexa da lente (ou agulha, folha de bambu) é ligeiramente mais espessa no meio, a primária é mais espessa e longa e atravessa os grãos de austenita, enquanto a secundária é menor. Entre as lamelas primárias e o limite de grão da austenita, o ângulo entre as lamelas é grande e elas colidem umas com as outras para formar microfissuras. | À mesma esquerda, há uma crista intermediária no centro da fatia, e fatias finas com distribuição em zigue-zague são comuns entre as duas fatias primárias. |
| Subestrutura | Rede de deslocamento (emaranhamento), a densidade de deslocamento aumenta com o conteúdo de carbono, geralmente (0,3 ~ 0,9) × Uma pequena quantidade de gêmeos finos às vezes pode ser vista em 1012 cm/cm3. | Os gêmeos finos com uma largura de cerca de 50 ｜ formam a transformação Lie e regiões gêmeas com a crista média como centro. À medida que o ponto M diminui, a região gêmea de transformação aumenta e a borda da folha é uma matriz de discordâncias complexa. O plano gêmeo é (112) α ※, a direção dupla é (11I) α ´ | |
| Processo formativo | Nucleação por resfriamento, novas folhas de martensita (ripas) são produzidas apenas durante o resfriamento | ||
| A velocidade de crescimento é baixa e uma ripa é formada em cerca de 10-4s | A velocidade de crescimento é alta 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%/℃ dentro de menos de 50% da quantidade de transformação | Quando M<0 ℃, ocorre uma transformação “explosiva”, e a nova chapa de martensita não produz uniformemente com a queda de temperatura, mas por causa do efeito auto-disparador, ela se forma em grupos (em formato de “Z”) continuamente e massivamente em uma faixa de temperatura muito pequena, acompanhada por um aumento de temperatura de 20~30 ℃ | ||
3. Outra morfologia da martensita
3.1 Martensita borboleta
Em ligas Fe Ni ou ligas Fe Ni C, quando a martensita é formada dentro de uma determinada faixa de temperatura, aparecerá martensita com morfologia especial, conforme mostrado na Fig.
Fig. 13 Microestrutura da Martensita Prato
A forma tridimensional desta martensita é uma haste delgada e sua seção é em forma de borboleta, por isso é chamada de martensita borboleta.
Foi descoberto 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 microscópio eletrônico confirmaram que sua subestrutura interna compreende deslocamentos de alta densidade, sem gêmeos visíveis.
A relação cristalográfica com a fase parental geralmente adere à relação KS. 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 liga acima mencionados, a faixa de temperatura de formação da martensita borboleta situa-se entre a faixa de temperatura de formação da martensita laminada e da martensita lamelar.
A junção de duas asas da martensita borboleta é muito semelhante à crista média da martensita lamelar. Supõe-se que a martensita (provavelmente geminação) crescendo daqui para os dois lados ao longo de orientações diferentes apresentará formato de borboleta.
A parte conjunta da martensita borboleta é semelhante à parte conjunta 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.
No momento, muitos aspectos da martensita borboleta ainda não estão claros. No entanto, sua morfologia e propriedades situam-se entre a martensita ripada e a martensita lamelar, tornando-a um tópico interessante para explorar.
3.2 Martensita escamosa
Esta martensita foi descoberta em uma liga Fe-Ni-C que exibe um ponto Ms excepcionalmente baixo. Aparece como uma faixa muito fina em forma tridimensional, com as faixas se cruzando e exibindo torções, ramificações e outras formas únicas, conforme representado na Figura 14c.
Fig. 14 Liga Fe-Ni-C resfriada até o ponto Ms
Microestrutura da martensita formada na mesma temperatura
A estrutura microscópica eletrônica desta martensita é mostrada na Fig.
Fig. 15 Estrutura microscópica eletrônica da martensita lamelar (Fe-31%, Ni0,23% C, Ms=- 190 ℃, resfriada a – 196 ℃)
O material em exame é uma martensita Luan completa composta por (112) cristais α´ Luan sem 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 teor de carbono de aproximadamente 0,25% e Ms = -66 ℃, a estrutura é martensita lamelar explosiva, conforme representado na Figura 14a.
À medida que a Ms diminui para -150 ℃, uma pequena quantidade de martensita lamelar começa a aparecer, como mostrado na Figura 14b.
No ponto onde a Ms cai para -171 ℃, toda a estrutura é composta de martensita lamelar (ver Figura 14c).
Verificou-se que a temperatura de transição da folha da lente para a folha fina aumenta com o aumento do teor de carbono.
Quando o teor de carbono atinge 0,8%, a zona de formação da martensita lamelar fica abaixo de -100 ℃.
À medida que a temperatura de transformação diminui, durante a transformação da martensita lamelar, não há apenas formação contínua de novas folhas de martensita, mas também espessamento de folhas de martensita antigas.
O espessamento das folhas antigas de martensita não é visível na martensita lamelar.
3.3 ε' Martensita
Todas as martensitas mencionadas acima têm uma estrutura cúbica de corpo centrado (α') ou quadrada de corpo centrado.
Em ligas com baixa energia de falha de empilhamento na austenita, também pode se formar uma rede hexagonal densa ε' martensita.
Este tipo de martensita é predominante em ligas com alto teor de Mn-Fe-C.
Entretanto, o aço inoxidável 18-8 representado pelas ligas Fe-Cr-Ni frequentemente coexiste com a α'-martensita.
A martensita ε' também é fina, conforme mostrado na Figura 16.
Ao longo da superfície (111) γ observa-se a formação de widmanstatten, com uma subestrutura caracterizada por numerosas falhas de empilhamento.
Fig. 16 Microestrutura de Martensita da Liga Fe-16,4% Mn (Corrosão por Álcool Nitrato)
2. Relação entre composição química e morfologia martensítica e subestrutura interna de ligas
A presença de elementos de liga no aço tem um impacto crucial na forma da martensita.
Um exemplo comum é que a forma da martensita nas ligas Fe-C e Fe-Ni muda de ripas para flocos à medida que o teor da liga aumenta. Por exemplo, na liga Fe-C, abaixo de 0,3% de carbono, a martensita tem a forma de uma ripa, enquanto 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 mostrar concentrações inconsistentes que desencadeiam a transição da martensita ripada para a martensita lamelar. Esta variabilidade está ligada ao efeito da velocidade de têmpera, com uma velocidade de têmpera mais alta levando a uma menor concentração mínima de carbono necessária para a formação de martensita dupla.
A Figura 17 ilustra o impacto do teor de carbono no tipo de martensita, no ponto Ms e na quantidade de austenita retida em ligas Fe-C.
Fig. 17 Efeito do teor de carbono no ponto Ms, teor de martensita ripada e teor de austenita retida (aço carbono temperado à temperatura ambiente)
A figura demonstra que o aço com 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 cristalina Luan e austenita retida aumenta.
A Tabela 2 resume a relação entre a morfologia da martensita e a composição das ligas binárias de ferro.
Tabela 2 Morfologia Martensita de Ligas Binárias de Fe
|
Sistema de liga |
Martensita de ripa |
Martensita lamelar |
Martensita |
|||||
|
Composição da liga (%) |
Ponto M (℃) |
Composição da liga (%) |
Ponto M (℃) |
Composição da liga (5%) |
||||
|
Zona Y estendida |
Fe-C Fe-N Fe-Ni Fe-Pt Fe-Mn Fe-Ru Fé-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 Alguns |
<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 martensita ripada.
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 ripas em flocos com o aumento do conteúdo 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 ripas para martensita ε´ com um aumento no conteúdo de elementos de liga em ligas binárias de ferro.
As ligas Fe-Cu e Fe-Co são exceções entre os elementos da zona γ expandida.
Embora o Cu faça parte do elemento em expansão da zona Y, a pequena quantidade de solução sólida no Fe leva a um ponto Ms relativamente estável e, portanto, mostra a mesma tendência que as ligas de encolhimento da zona Y.
A liga Fe-Co é única em comparação com outras ligas. Com o aumento do teor de Co, o ponto Ms aumenta, tornando-o um caso especial.
Em geral, existem vários tipos de elementos de liga no aço, mas 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 liga binária.
Como mencionado anteriormente, as ligas Fe-Ni-C podem formar ripa, borboleta, folha de lente e martensita de folha fina. A relação entre a temperatura de formação destas quatro formas de martensita e o teor de carbono e ponto Ms é mostrada na Figura 18.
Fig. 18 Relação entre morfologia da martensita, teor de carbono e 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 área hachurada.
A Tabela 3 resume a relação entre a morfologia, subestrutura e características cristalográficas da martensita em ligas à base de ferro.
Tabela 3 Características da Martensita do Sistema Fe
| Superfície habitual | relação de orientação | Morfologia da martensita | Segundo tipo de cisalhamento | Subestrutura em martensita | Ponto M. | Energia de falha de austenita | Grau de aço |
| （111） （225）（259） |
KS KS Xishan |
Ripa | Deslizamento duplo | Luxação | Alto médio baixo |
Baixo baixo ou médio alto |
Cobre com baixo teor de carbono, aço com alto teor de Mn, aço com baixo teor de Ni; aço alto e médio carbono, aço inoxidável, aço Ni médio; aço com alto teor de Ni, aço com alto teor de carbono |
No aço, a martensita com teor de carbono inferior a 0,20% é geralmente considerada como tendo uma estrutura reticulada cúbica de corpo centrado. A martensita com teor de carbono superior a 0,20% é considerada como tendo uma estrutura de rede tetragonal de corpo centrado.
Acredita-se comumente que a martensita cúbica de corpo centrado em aço de baixo carbono é equivalente à martensita de deslocamento, enquanto a martensita tetragonal de corpo centrado é equivalente à martensita gêmea de alto carbono. No entanto, em ligas Fe-Ni, a martensita dupla também pode ter uma estrutura cúbica de corpo centrado.
Como resultado, a relação entre estrutura cristalina e subestrutura permanece incerta.
3. Fatores que afetam a morfologia e 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 impactam esta mudança e não há um consenso claro.
É amplamente aceito que as mudanças morfológicas são essencialmente mudanças na subestrutura, e as perspectivas comuns incluem:
1. Sra. ponto
Os defensores deste ponto de vista acreditam que a morfologia da martensita depende da temperatura Ms.
Eles afirmam que nas ligas Fe-C, um aumento no teor de carbono resulta numa diminuição na temperatura Ms.
Em temperaturas abaixo de uma determinada faixa (300-320°C), torna-se mais fácil formar gêmeos de transformação e martensita lamelar resultante.
A Tabela 4 descreve a relação entre a morfologia da martensita, as características cristalinas do aço carbono e o teor de carbono e a temperatura Ms.
Tabela 4 Relação entre a morfologia da martensita e as características cristalográficas do aço carbono e teor de carbono e ponto Ms do aço
| Teor de carbono (%) | Estrutura de cristal | Relacionamento de orientação | Superfície habitual | Ponto M (℃) | Morfologia da martensita |
| <0,3 | Corpo centrado cúbico ou quadrado | Relacionamento CS | （111） | >350 | Martensita de ripas |
| 0,3~1,0 | Quadrado centróide | Relacionamento CS | Tira (111), folha (225) | 350~200 | Martensita mista |
| 1,0~1,4 | Quadrado centróide | Relacionamento CS | （225） | <200 | Martensita em flocos com gêmeos parciais e luxações na subestrutura |
| 1,4~1,8 | Corpo · Coração Quadrado | Relacionamento Xishan | （259） | <100 | Martensita lamelar típica com crista média óbvia e arranjo em “forma de Z” |
A transformação da morfologia da martensita de ripas para flocos com diminuição do ponto Ms pode ser explicada da seguinte forma:
A Tabela 4 demonstra uma correlação entre a superfície do hábito e a morfologia da martensita. Acredita-se geralmente que a temperatura de formação da martensita de baixo carbono seja alta, com o plano (111) γ como o plano habitual devido ao seu grande cisalhamento. Nessas altas temperaturas, o deslizamento é mais fácil de ocorrer do que a geminação e há menos (111) sistemas de cristal γ na rede cúbica de face centrada, resultando em um número limitado de orientações iniciais para a formação de martensita, levando à formação de martensita agrupada dentro do mesma austenita.
À medida que a temperatura do ponto Ms diminui, a geminação torna-se mais fácil de ocorrer do que o deslizamento, e o plano do hábito muda para (225) γ ou (259) γ. Essa mudança resulta em um aumento no número de sistemas cristalinos e orientações iniciais para a formação de martensita, levando à formação de martensita lamelar cristalina 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 dupla, mesmo que a austenita seja significativamente reforçada. O ponto Ms nas ligas Fe-Ni-C pode ser alterado alterando a temperatura de austenitização, permitindo a obtenção de diferentes pontos Ms dentro da mesma liga.
Quando a temperatura de resfriamento é ligeiramente inferior ao ponto Ms correspondente, a mudança na morfologia da martensita do formato de borboleta para o formato de folha pode ser observada. Além disso, a diminuição da temperatura de formação leva a um aumento na 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). Estes resultados confirmam que a morfologia da martensita e a estrutura interna deste tipo de liga estão exclusivamente relacionadas ao ponto Ms.
Além disso, sob alta pressão e diminuição do ponto Ms, a ocorrência de gêmeos de transformação torna-se mais provável, levando a uma mudança na morfologia da martensita da ripa para a folha, como mostrado na Fig. 19. Esta evidência experimental apóia a importância do ponto Ms.
Fig. 19 Efeito da pressão de 4000 MPa no ponto Ms e na subestrutura martensítica da liga ferromagnética
No processo de formação real, múltiplas martensitas são produzidas consecutivamente em temperaturas variadas entre os pontos Ms e Mf.
A temperatura na qual cada cristal de martensita se forma é única, portanto a estrutura interna e a morfologia de cada cristal de martensita também são distintas.
Portanto, é mais correto 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 a energia de falha de empilhamento da austenita, mais desafiador se torna produzir a transformação em cristais de bainita e mais provável é a formação de martensita ripada.
Tanto o aço inoxidável 18-8 quanto a liga Fe-8% Cr-1,1% C apresentam baixas energias de falha de empilhamento. À temperatura do nitrogênio líquido, a martensita de deslocamento é formada. Este fenômeno é difícil de explicar usando a hipótese de Ms Point, mas pode ser explicado por esta 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 se sabe que o Ni aumenta a energia de falha de empilhamento da austenita, este fenômeno experimental apoia a hipótese.
Vale ressaltar que esse fenômeno experimental também pode ser explicado pela teoria do Ms Point, pois o Ni diminui o Ms Point.
3. Resistência da austenita e 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 ao escoamento austenítico no ponto Ms, que é de aproximadamente 206MPa. Acima deste limite, forma-se martensita lamelar com plano habitual de {259} γ. Abaixo deste limite, forma-se martensita ripada com plano de hábito {111} γ ou martensita lamelar com 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 ainda mais a resistência da martensita. Quando a resistência da austenita é inferior a 206 MPa, se a resistência da martensita resultante for alta, ela se forma como {225} γ martensita. Se a resistência da martensita for baixa, a martensita {111}γ é formada.
Esta hipótese pode ser aplicada para explicar as alterações morfológicas resultantes de alterações na composição da liga ou ponto Ms, particularmente a transformação de {111}γ em {225}γ em ligas de Fe Ni e {111}γ em {225}γ em {259 }γ em ligas Fe-C.
Além disso, a hipótese fornece uma compreensão clara da formação da martensita {225}γ, que não foi bem definida no passado. É formado quando a austenita fraca se transforma em martensita forte.
Embora o carbono tenha efeitos limitados no fortalecimento da austenita, tem um impacto significativo no fortalecimento da martensita. {225} A martensita γ ocorre principalmente em sistemas de liga com alto teor de carbono.
Esta hipótese é baseada no seguinte:
Se o relaxamento da tensão de transformação na martensita ocorrer apenas através da deformação geminada, a martensita resultante terá o plano hábito {259} γ.
Quando o relaxamento da tensão de transformação é realizado parcialmente na austenita através do modo de deslizamento e parcialmente na martensita através do modo de geminação, a martensita terá o plano hábito {225} γ.
Se a martensita também sofrer modo deslizante, o plano de hábito será {111} γ.
Resultados experimentais sugerem que esta hipótese está parcialmente correta, mas ainda são necessárias mais pesquisas no futuro.
Deve-se notar que a resistência da austenita e da martensita conforme descrita nesta hipótese está intimamente relacionada a vários fatores, como composição da liga, tipo, ponto Ms, energia de falha de empilhamento austenítico e outros. Portanto, esta hipótese não pode ser considerada isolada.
4. Tensão de cisalhamento crítica do deslizamento da martensita e deformação dupla
Esta hipótese enfatiza que a estrutura interna da martensita é determinada principalmente pelo modo de deformação durante a transformação, que é controlado principalmente pela tensão de cisalhamento crítica do escorregamento ou do gêmeo.
A Figura 20 ilustra o efeito da tensão de cisalhamento crítica do deslizamento ou gêmeo da martensita e da 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 pelo deslizamento ou gêmeo da martensita
As setas na figura representam as direções potenciais de movimento das linhas correspondentes, que são causadas por alterações na composição da liga. O movimento das linhas leva ao movimento de intersecção das curvas gêmeas de deslizamento.
A partir da figura, pode-se observar que para o aço de baixo carbono (onde os pontos Ms e Mf são ambos altos), a tensão de cisalhamento crítica necessária para o deslizamento é menor do que a necessária para a geminação, resultando na formação de martensita ripada com alta densidade de deslocamentos. Por outro lado, para aços de alto carbono (onde os pontos Ms e Mf são ambos baixos), a tensão de cisalhamento crítica 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 conforme mostrado na figura. Durante a transformação martensítica, a martensita ripada se forma primeiro, seguida pela martensita lamelar. Isso resulta em uma estrutura mista de ambos os tipos de martensita.
Embora esta visão pareça fundamentalmente correta, os fatores que causam mudanças na tensão de cisalhamento e como a composição da liga ou o ponto Ms influenciam a tensão de cisalhamento crítica para deslizamento ou geminação martensítica 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 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 martensita, causando ordenação, está intimamente relacionado à transformação morfológica.
4. Formação de microfissuras de martensita lamelar em liga Fe-C
Quando o aço com alto teor de carbono é temperado, fica suscetível à formação de microfissuras na martensita.
Anteriormente, pensava-se que estas microfissuras eram resultado de microtensão causada 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 da martensita em crescimento, conforme ilustrado na Figura 21.
Figura 21. Diagrama esquemático de microfissuras formadas pela colisão de duas lâminas de martensita Fe-C. (A seção AA 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 entre si ou com um contorno 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 rachaduras por impacto.
Este defeito inerente aumenta a fragilidade do aço martensita com alto teor de carbono.
Sob a influência de outros estressores, como tensão térmica e tensão estrutural, as microfissuras se transformarão em macrofissuras.
A presença de microfissuras também reduzirá significativamente a vida útil dos componentes em fadiga.
Microfissuras na martensita lamelar da liga Fe-C ocorrem frequentemente na junção de várias agulhas radiais de martensita ou dentro das agulhas de martensita, conforme ilustrado na Figura 22.
Fig. 22 Características microscópicas ópticas de microfissuras em martensita de 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, incluindo:
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 de aço temperada diminui, resultando em aumento na quantidade de martensita e na sensibilidade à formação de microfissuras, conforme ilustrado na Figura 23.
Fig. 23 Relação entre a sensibilidade de microfissuras de formação de martensita Fe-C e a temperatura de têmpera (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 da martensita e a suscetibilidade à formação de microfissuras.
Fig. 24 A relação entre a sensibilidade à microfissura (SV) da formação de martensita na liga Fe-1,86% C e o volume médio (V) de cada pedaço de martensita, o número de folhas de martensita em volume unitário (NV) e a transformação de martensita:
De acordo com a figura, a sensibilidade à formação de microfissuras (Sv) aumenta com o aumento da variável de transformação martensita, porém, quando a fração de transformação (f) ultrapassa 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 este valor crítico, a sensibilidade à formação de microfissuras (Sv) aumenta com o aumento da fração de transformação.
Concluindo, a formação de fissuras é determinada predominantemente pelo tamanho das placas de martensita. Embora o número total e a área de fissuras possam aumentar com o aumento da variável de transformação da martensita, os grandes flocos de martensita formados no estágio inicial resultam na formação da maioria das fissuras durante os estágios iniciais da transformação.
3. Efeito do comprimento da folha de martensita
A experiência mostra que à medida que o comprimento da folha de martensite aumenta (ou seja, o tamanho máximo da folha aumenta), a suscetibilidade da martensite à formação de microfissuras também aumenta, conforme ilustrado 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 teor de martensita%)
Folhas longas de martensita são mais suscetíveis ao impacto de outras folhas de martensita devido ao seu tamanho. Além disso, eles tendem a se cruzar com grãos de austenita, aumentando a probabilidade de encontrar limites de grãos.
Experimentos mostraram que microfissuras são predominantemente formadas em martensita grossa, enquanto 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 não ocorrerão microfissuras.
A ideia de que grãos finos de austenita podem reduzir microfissuras em aços de alto carbono temperados 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 de tamanho crítico.
4. Efeito do tamanho do grão de austenita
No caso da austenita homogênea, o comprimento das folhas de martensita formadas na fase inicial está ligado ao tamanho dos grãos de austenita. Grãos grossos de austenita resultam na formação de martensita grossa, que é mais propensa à formação de microfissuras.
Os resultados experimentais, conforme mostrado na Figura 26, apoiam esta ideia. Os resultados indicam que o aço com alto teor de carbono é mais propenso a trincas quando temperado em temperaturas mais altas.
Portanto, geralmente é recomendado selecionar uma temperatura de têmpera mais baixa para têmpera de aço com alto teor de carbono.
Fig. 26 Efeito do tamanho de grão de austenita do aço carbono (1,22% C) na sensibilidade de microfissuras de 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 na sensibilidade às microfissuras
Pode-se observar na Figura 27 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 superior a 1,4%, a suscetibilidade à formação de microfissuras diminui. Isto está relacionado ao plano habitual do cristal durante a transformação martensítica.
Quando o teor de carbono no aço excede 1,4%, a forma da martensita muda. As folhas tornam-se mais espessas e curtas, o ângulo entre as folhas de martensita torna-se 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 em aço carbono com 1,39% diminui significativamente com a diminuição do teor de carbono na martensita. Os dados são apresentados para um tamanho de grão de 3.
|
Temperatura A1~Aw (℃) |
Teor de carbono na martensita (%) |
Austenita retida (%) |
Quantidade de carboneto (%) |
Sensibilidade à formação de microfissuras S. (mm-1) |
|
1010 910 871 857 834 799 768 732 |
1,39 13h30 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 na sensibilidade às microfissuras está associada à presença de martensita de crescimento mais paralelo na microestrutura.
A martensita de ripa tem alta plasticidade e tenacidade, e o risco de impacto mútuo é reduzido devido ao crescimento paralelo da martensita de ripa, levando a baixa sensibilidade a microfissuras.
Como mencionado anteriormente, o aço com alto teor de carbono é suscetível a trincas devido à sua estrutura de grão grosso de austenita e ao alto teor de carbono na martensita. Para mitigar isso, 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 martensita e obter grãos mais finos.
Em geral, os aços hipereutetóides, que sofrem têmpera incompleta, produzem martensita criptocristalina, que é menos propensa a microfissuras. É por isso que eles têm excelentes propriedades gerais.
