2. Causas de cristal misto
Existem duas razões básicas para cristais mistos:
A. Segregação dos elementos de liga (distribuição desigual dos elementos de liga)
B. Deformação crítica (aço deformado, grão alterado)
Focando nesses dois motivos, parte da fundição do aço.
1. Fundição de aço:
É bem sabido que o processo de fundição de aço envolve o uso de minério de ferro e diversas matérias-primas para eventualmente produzir aço fundido através de uma série complexa de etapas, que é então fundido em lingotes. As siderúrgicas são as mais profissionais no processo de formação de aço fundido e, como o aço fundido na fase líquida é naturalmente uniforme, nenhuma avaliação será realizada aqui. Em vez disso, nos concentraremos no processo de solidificação do aço líquido em lingotes.
A segregação de lingotes é a forma mais comum de segregação.
Em termos simples, a causa da segregação no lingote é simples – os elementos de liga tendem a solidificar primeiro durante o processo de solidificação, enquanto as áreas com menos elementos de liga solidificam mais tarde, causando uma distribuição desigual dos elementos de liga.
A estrutura metalúrgica mais típica produzida por este processo é a segregação dendrítica.
Também existem impurezas presentes, como inclusões de escória que se acumulam em um local específico durante o processo de laminação e resfriamento do aço fundido.
O principal problema da segregação é que ela resulta em uma distribuição desigual de elementos de liga, incluindo carbono, cromo, níquel, molibdênio, alumínio e outros.
Esta distribuição desigual forma regiões separadas com composições químicas distintas, cada uma das quais pode ser considerada um tipo distinto de aço.
Nesta fase, estas regiões podem ser identificadas como grãos separados, distintos dos grãos mistos. Isso está mais claro agora?
2. Laminação de aço:
A laminação é um processo que transforma um lingote em sua forma final, como uma barra, chapa, fio-máquina ou perfil de aço.
O lingote de aço é primeiro reaquecido e depois submetido a múltiplas passagens de laminação até atender às especificações desejadas.
Antes da laminação, o aço é normalmente submetido a recozimento por difusão.
O objetivo do recozimento por difusão é homogeneizar os elementos de liga do aço. Conforme discutido anteriormente, a segregação dos elementos de liga durante a solidificação resulta em uma composição irregular, levando a problemas potenciais.
Para resolver esse problema, o aço passa por recozimento por difusão a uma temperatura de aproximadamente 1200°C.
A esta temperatura, a atividade dos elementos da liga aumenta e ocorre difusão dentro do aço, passando de áreas de alta concentração para áreas de baixa concentração, melhorando assim a uniformidade do aço.
Ao mesmo tempo, o aço permanece no estado sólido e ainda não entrou na fase líquida.
Embora os elementos de liga tenham se movido, eles apenas melhoram a uniformidade do aço e não conseguem eliminar completamente a segregação.
A laminação é semelhante aos processos de forjamento e extrusão.
Durante esse processo, o aço passa por aquecimento, forjamento, extrusão, resfriamento, recristalização, recozimento, reextrusão, entre outros procedimentos.
Alguns defeitos do aço original são gradualmente reduzidos durante este processo, e o grau de segregação dos elementos de liga também diminui.
Em um cenário ideal, esses processos eliminam defeitos e reduzem a segregação, mas, na realidade, as siderúrgicas priorizam a economia de custos e a eficiência.
Para conseguir isso, eles podem diminuir a temperatura e o tempo de recozimento por difusão, pular o processo de recozimento ou aumentar a taxa de forjamento durante o processo de laminação, o que pode encobrir, mas não erradicar, defeitos e levar a um grau ainda maior de segregação durante o processo de laminação. .
Essa alteração é descrita em detalhes na próxima seção.
3. Problemas de deformação (forjamento, extrusão):
Depois de receber o aço, a planta de processamento mecânico normalmente usa métodos de forjamento a quente e extrusão a frio para formar a peça e, em seguida, completa a usinagem, tratamento térmico e retificação para produzir o produto final.
No entanto, podem surgir problemas durante este processo.
O forjamento a quente é semelhante à laminação de aço mencionada na seção 2, mas com equipamentos, taxas de compressão e estruturas de produto diferentes.
A extrusão a frio, por outro lado, utiliza a tenacidade do aço para produzir deformação plástica sem aquecimento.
Ambos os processos envolvem problemas de deformação plástica.
A tenacidade de um metal refere-se à sua capacidade de sofrer deformação, que normalmente é considerada como sua capacidade de esticar ou comprimir.
Quanto melhor for a resistência, maior será a capacidade de esticar e menor será a capacidade de compressão.
O que acontece com os grãos durante a tração ou compressão? Considere um elástico.
Inicialmente, se o diâmetro de um elástico for 10 mm e ele for esticado 10 vezes o seu comprimento, o que acontece com o seu diâmetro?
Certamente não chega a 1mm, mas para ilustrar o problema, todo mundo sabe que fica mais fino. Se você continuar a esticá-lo, ele ficará ainda mais fino até quebrar.
A deformação do metal é um processo de mudança de grão.
Antes da deformação, os grãos apresentam formato irregular, mas apresentam essencialmente a forma de uma bola.
Com a aplicação de força externa, os grãos são esticados como um elástico e seu espaço é comprimido. Eles se tornam cada vez mais finos à medida que a força externa continua.
Antes eram uma pilha de batatas, mas agora se transformaram em um feixe de talos de trigo.
Durante este processo, os grãos parecem estar inalterados, mas após uma inspeção mais detalhada, o seu tamanho tornou-se muito menor.
É importante ter em mente que as aparências enganam e não se deixar enganar pelo que é visto na superfície.
4. Tratamento térmico:
O tratamento térmico é um processo intermediário que não pode ser visto ou tocado e não pode ser detectado imediatamente ou ajustado durante o processo.
O estado do produto só pode ser determinado através do controle do processo e da inspeção final.
Contudo, os problemas que surgiram de todos os processos anteriores tornam-se aparentes durante o tratamento térmico.
O processo de tratamento térmico requer que a cementação e a têmpera sejam aquecidas acima da temperatura de austenitização do aço.
Portanto, a peça deve ser aquecida a uma temperatura acima de AC3 para que a operação ocorra. Durante esse processo, ocorrem diversas mudanças importantes.
A rede de ferrita cúbica de corpo centrado se transforma na rede de austenita cúbica de face centrada, e a quantidade de carbono dissolvido, elementos de liga incorporados e a difusão de elementos de liga ocorrem durante esse processo.
As fronteiras entre os grãos também são quebradas e recristalizadas, fazendo com que os grãos originais mudem e sejam reorganizados.
O processo de recombinação de cereais é essencialmente uma competição de energia, semelhante à actual situação internacional, onde o tamanho de um país é determinado pela sua alta tecnologia, armas nucleares e capacidades de combate.
Quanto mais forte é um país, maior ele se torna, ao passo que um país mais fraco é mais propenso à fragmentação.
Da mesma forma, carbonetos formados por elementos de liga atuam como fortalezas nos grãos, dificultando o seu crescimento.
Em áreas onde os elementos de liga são escassos, eles são imparáveis e seu território se expande, fazendo com que os grãos cresçam.
Para garantir o tamanho de deformação desejado do produto, a temperatura de aquecimento deve ser mantida a um nível moderado para restringir o comportamento de difusão dos elementos de liga.
Se a temperatura de aquecimento for muito alta, poderá resultar em falha na transformação de fase, e se a temperatura for muito baixa para atingir a austenitização necessária, também levará a uma falha na transformação de fase.
Portanto, o problema de aquecimento no tratamento térmico requer aquecimento a média temperatura, que é altamente restrito.
Normalmente, a temperatura de cementação está em torno de 900-940°C e a temperatura de têmpera é de 30-50°C acima da temperatura AC3.
Estes são valores de livro didático, e agora vamos considerar as possíveis consequências das seções anteriores nessas temperaturas.
a. Efeito da segregação dos elementos de liga:
À medida que o processo de austenitização avança, diferentes áreas apresentam conteúdos variados de elementos de liga, levando a diferentes temperaturas de austenitização nessas áreas.
Mesmo que a peça atinja a mesma temperatura, algumas áreas já iniciaram a transformação da austenita enquanto outras ainda estão em fase de preparação.
Algumas áreas já completaram a transformação de austenita, enquanto outras ainda não, resultando em crescimento contínuo de grãos nas áreas que já se transformaram em austenita e de grãos finos nas áreas que ainda não completaram a transformação.
Se a austenitização for interrompida neste ponto e resfriada rapidamente, ocorrerá uma coexistência de grãos grandes e pequenos e, em casos graves, poderão formar-se grãos mistos.
A maioria dos elementos de liga, como V, Ti, Nb, etc., dificultam o crescimento dos grãos.
Elementos de liga como Cr, Mo, W, etc. retardarão a formação de austenita.
Esses elementos podem afetar o tamanho do grão e desempenhar um papel no refino dos grãos.
Por outro lado, existem alguns elementos, como Mn e P, que podem promover o crescimento dos grãos.
Se estes elementos segregarem seriamente no aço, podem ocorrer cristais mistos.
b. Influência da deformação durante laminação, forjamento e trabalho a frio:
Durante o processo de tração e extrusão, os grãos são deformados, o que reduz a energia nos limites originais dos grãos.
À medida que a temperatura de aquecimento aumenta, os grãos se recombinarão quando a temperatura de recristalização do aço for atingida.
Neste momento, a energia do elemento de liga torna-se maior e dois grãos finos adjacentes podem facilmente se fundir.
Elementos que anteriormente estavam restritos ao movimento dentro de um único grão agora podem romper os limites dos dois grãos e pegar um atalho para fundir os dois grãos finos em um grão grande em um tempo muito curto.
À medida que a temperatura e o tempo de aquecimento continuam a mudar, estes grãos continuam a crescer até que não haja energia para romper as restrições dos limites dos grãos.
Neste ponto, muitos grãos grandes se formaram.
No entanto, nem todos os grãos deformados atingem a deformação crítica necessária para o crescimento. Isto resulta em alguns grãos normais, levando à formação de grãos mistos.
C. Efeito da temperatura:
O processo de forjamento e a temperatura e o tempo do processo de tratamento térmico têm um impacto significativo no grão.
Quando a temperatura estiver alta e o tempo de espera longo, os grãos crescerão.
Este limite de temperatura depende do material, e materiais diferentes têm temperaturas limites diferentes.
As temperaturas de tratamento térmico são geralmente fixas e a temperatura típica de cementação não excede 950°C.
A esta temperatura, a maioria dos aços de grão fino não sofre alterações significativas.
No entanto, temperatura excessiva devido a erros de parâmetros ou medição imprecisa de temperatura pode resultar em aço de grão grosso.
Os grãos produzidos por forjamento em alta temperatura são grossos e uma estrutura de Widmanstatten é freqüentemente encontrada na metalografia após o forjamento.
Widmanstatten pode ser eliminado normalizando várias vezes, e a mudança de grão causada pela temperatura pode ser compensada pela normalização.
No entanto, geralmente não é recomendado usar uma estrutura de Widmanstatten se ela aparecer na realidade.
3. Resumo:
Resumindo, a principal razão para o cristal misto é a segregação de elementos, e é um desafio eliminá-la através de tratamento térmico em processos posteriores.
Além disso, é fundamental prestar atenção ao tamanho do grão durante qualquer processo que produza deformação.
A mistura granulométrica causada exclusivamente pela deformação pode ser melhorada através de tratamento térmico.
No entanto, se o grão já tiver crescido e se estabilizado, e os elementos de liga tiverem precipitado no limite do grão, pode ser difícil resolver o problema.
