1. Prefácio
Efeito dos elementos de liga na transformação do revenido
Na produção real, geralmente podemos encontrar alguns fenômenos, como:
- Para atingir a mesma dureza (como 480-610HV5) após a têmpera, por que as peças carbonitretadas requerem uma temperatura de revenido mais alta em comparação com as peças carburizadas?
- Embora o aço 45 exija uma dureza de 28-32HRC, por que o 42CrMo precisa de uma temperatura de revenido mais alta?
- Por que a dureza do aço rápido, como SKH-9 e W6Mo5Cr4V2, aumenta em vez de diminuir após o revenido convencional em alta temperatura? Este fenômeno é atribuído à influência dos elementos de liga na transformação de revenimento de peças metálicas, que será discutida neste artigo.
Este artigo fornece uma análise aprofundada do tópico e esperamos que você goste de lê-lo.
2. Efeito dos elementos de liga na decomposição da martensita
O processo de decomposição da martensita em ligas de aço é basicamente semelhante ao do aço carbono, mas a taxa de decomposição difere significativamente.
Experimentos demonstraram que o impacto dos elementos de liga é particularmente significativo durante os últimos estágios da decomposição da martensita.
As razões e leis dos elementos de liga que afetam a decomposição da martensita podem ser resumidas aproximadamente como segue.
1. Durante a fase de decomposição da martensita, o carbono supersaturado na martensita sofre dessolvatação, causando precipitação e agregação de partículas de carboneto, resultando em uma diminuição no teor de carbono na fase matriz α.
O papel dos elementos de liga é principalmente influenciar o processo de decomposição da martensita, a agregação e a taxa de crescimento das partículas de carboneto e a difusão do carbono. Isto, por sua vez, afeta a taxa de declínio da concentração de carbono na fase α.
A extensão deste efeito varia dependendo da intensidade da força de ligação entre os elementos da liga e o carbono.
2. Os elementos não formadores de carboneto (como Ni e Mn) têm uma força de ligação com o carbono semelhante à do Fe e, portanto, não têm efeito significativo na decomposição da martensita.
Elementos formadores de carboneto fortes (como Cr, Mo, W, V, Ti, etc.) têm uma forte força de ligação com o carbono, o que aumenta a energia de ativação da difusão do carbono na martensita, dificultando sua difusão e retardando a taxa de decomposição da martensita .
Elementos não formadores de carbonetos, como Si e CO, podem se dissolver em ε-FexC para estabilizá-lo e diminuir a taxa de agregação de carbonetos, atrasando assim a decomposição da martensita.
A temperatura de dessolvatação completa do carbono supersaturado na martensita durante o revenido do aço carbono é de cerca de 300 ℃. A adição de elementos de liga pode alterar a temperatura de dessolvatação completa em 100-150 ℃ para uma temperatura mais alta.
Em outras palavras, o aço-liga pode manter uma certa concentração de carbono saturado e carbonetos finos na fase α mesmo quando revenido a uma temperatura mais alta, mantendo assim alta dureza e resistência.
Os elementos de liga que evitam a redução do teor de carbono na fase α e o crescimento de partículas de carboneto, e mantêm a alta dureza e resistência das peças de aço, são conhecidos como elementos de liga que melhoram a resistência ao revenido ou “resistência ao contra-explosão” do aço.
3. Efeito dos elementos de liga na transformação da austenita retida
A transformação da austenita retida em aço-liga é semelhante à do aço carbono, mas os elementos de liga podem afetar a temperatura e a velocidade de decomposição da austenita retida, o que pode alterar o tipo e a natureza da transformação.
Ao revenir abaixo do ponto MS, a austenita residual se transforma em martensita.
Se o ponto MS for alto (>100 ℃), ocorre o processo de decomposição da martensita, formando martensita revenida.
Ao revenir acima do ponto MS, a austenita retida pode sofrer três transformações:
① Transformação isotérmica em bainita na zona de formação de bainita;
② Transformação isotérmica em perlita na zona de formação de perlita;
③ Não se decompõe durante o revenido, aquecimento e retenção, mas se transforma em martensita no processo de resfriamento subsequente, que é chamado de “têmpera secundária”.
Nota: O ponto ① está relacionado à teoria de têmpera secundária aplicada ao processo de revenido múltiplo de aço rápido?
4. Efeito dos elementos de liga na transformação do metal duro
Elementos não formadores de carboneto, como Cu, Ni, Co, Al, Si, etc., e carbono não formam nenhum tipo único de carboneto. No entanto, eles melhoram a transformação de ε-FexC em θ-Fe3C, bem como a conversão de cementita em outros tipos de carbonetos especiais.
Durante o revenido do aço-liga, ocorre uma redistribuição dos elementos da liga entre a cementita e a fase α com o aumento do tempo ou temperatura de revenido. Os elementos formadores de carboneto continuam a se difundir na cementita, enquanto os elementos não formadores de carboneto enriquecem gradualmente na fase α. Isto resulta em carbonetos mais estáveis substituindo os carbonetos instáveis originais, causando alterações na composição e estrutura dos carbonetos.
A sequência possível de transformação do carboneto durante o revenido do aço-liga é: ε-carboneto (<150 ℃) → cementita (150-400 ℃) → cementita (liga, 400-550 ℃) → metal duro especial metaestável → metal duro especial estável (> 500 ℃). A possibilidade de formar carbonetos especiais no aço depende das propriedades e do conteúdo dos elementos da liga, do teor de carbono ou nitrogênio e da temperatura e do tempo de revenimento.
Normalmente, durante o processo de revenimento de ligas de aço, a cementita é transformada em carbonetos especiais estáveis através de carbonetos metaestáveis.
Por exemplo, após a têmpera de aço com alto teor de Cr e alto carbono, o processo de transformação do carboneto durante o revenido é:
（Fe,Cr）3C→((Fe,Cr)3C）+（Cr,Fe）7C3→（Cr,Fe）7C3+(Cr,Fe)23C6→(Cr,Fe)23C6
Carbonetos especiais também são formados por estes dois mecanismos.
Existem dois tipos de processos de transformação de carboneto. A primeira é a transformação in situ, onde os elementos formadores de carboneto são inicialmente enriquecidos em cementita. Quando sua concentração ultrapassa o limite de solubilidade da liga de cementita, a rede da cementita se reorganiza em uma rede única de carboneto. Um exemplo deste tipo é a transformação de (Fe, Cr) 3C em (Cr, Fe) 7C3 em aço com baixo teor de cromo. Aumentar a temperatura de revenido acelera o processo de transformação do metal duro.
O segundo tipo é apenas a nucleação e o crescimento, onde carbonetos especiais são precipitados diretamente da fase α, acompanhados pela dissolução da liga de cementita. Aços contendo elementos formadores de carboneto, como V, Ti, Nb, Ta e aços com alto teor de Cr, pertencem a este tipo.
Por exemplo, o aço com 0,3% C e 2,1% V temperado a 1250 ℃ precipita a liga de cementita quando revenido abaixo de 500 ℃, apesar do baixo teor de V. Como a solução sólida V inibe fortemente a decomposição contínua da fase α, apenas cerca de 40% do carbono precipita na forma de cementita, e os 60% restantes ainda são retidos na fase α.
Quando a temperatura de revenido excede 500 ℃, o VC é precipitado diretamente da fase α. Com aumentos adicionais na temperatura de revenido, uma quantidade significativa de VC precipita e a cementita se dissolve. A 700 ℃, todas as cementitas se dissolvem e todos os carbonetos são convertidos em VC.
5. Endurecimento secundário durante o revenido
Na terceira etapa do revenido, o aço carbono continuará a amolecer com o crescimento das partículas de cementita, conforme mostrado na Figura 1.
Fig. 1 mudança de dureza do aço de baixo e médio carbono temperado a 100-700 ℃ por 1h
No entanto, se o aço contiver elementos formadores de carboneto fortes, como Mo, V, W, Ta, Nb e Ti, a tendência ao amolecimento será enfraquecida, resultando em maior resistência ao amolecimento.
Quando a martensita contém elementos formadores de carboneto suficientes, carbonetos especiais finos precipitam durante o revenido acima de 500 ℃, causando o endurecimento do aço que foi engrossado devido ao aumento na temperatura de revenido e ao endurecimento dos carbonetos θ. Este fenômeno é conhecido como endurecimento secundário.
Em alguns casos, a dureza do pico de endurecimento secundário pode ser superior à da têmpera.
Fig. 2 Efeito da temperatura de revenido na dureza martensita do aço molibdênio com baixo teor de carbono
A Figura 2 mostra o efeito do teor de molibdênio no efeito de endurecimento secundário do aço molibdênio com baixo teor de carbono (0,1%c).
A intensidade do efeito de endurecimento secundário aumenta com o teor de Mo.
Efeitos semelhantes são observados com outros elementos formadores de carbonetos fortes, como Ti, V, W, Nb, etc.
Um pico de endurecimento secundário menos distinto é observado quando o teor de Cr é muito alto (mais de 12%).
O aço carbono não sofre endurecimento secundário.
Observações em microscópio eletrônico confirmaram que o endurecimento secundário é causado pela precipitação de carbonetos especiais dispersos e finos, como Mo2C, W2C, VC, TiC, NbC, etc.
Esses carbonetos especiais precipitam na zona de discordância, muitas vezes na forma de agulhas ou folhas muito finas, de tamanho pequeno, e mantêm uma relação coerente com a fase α.
À medida que a temperatura de revenimento aumenta, o número e o tamanho dos carbonetos aumentam gradualmente, e a distorção da rede com fase α se intensifica até que a dureza atinja seu pico.
À medida que o carboneto cresce, a dispersão diminui, a relação coerente é destruída, a distorção coerente desaparece e a densidade de discordância diminui à medida que a temperatura continua a subir, levando a uma rápida diminuição da dureza.
O efeito de endurecimento secundário do aço pode ser melhorado das seguintes maneiras:
- Para aumentar o local de nucleação de carbonetos especiais e melhorar sua dispersão, a densidade de discordâncias no aço pode ser aumentada. Isto pode ser conseguido através do método de têmpera de deformação a baixa temperatura, conforme mostrado na figura.
- Alguns elementos de liga podem ser adicionados ao aço para retardar a difusão de elementos formadores de carbonetos especiais, inibir o crescimento de carbonetos finos e retardar a ocorrência de envelhecimento excessivo de tais carbonetos.
- Por exemplo, a adição de CO, Al, Si, Nb, Ta e outros elementos pode ajudar a manter a distorção coerente com a fase α e alcançar uma dispersão fina de carbonetos especiais, aumentando assim a estabilidade de revenimento do aço.
O aço-liga com efeito de endurecimento secundário pode ser selecionado para fazer com que a peça funcione bem em estado quente. Contanto que a temperatura utilizada seja inferior à temperatura de revenido (a temperatura que produz o pico de endurecimento secundário), as peças de aço podem manter alta dureza e resistência.
6. Efeito dos elementos de liga na recuperação e recristalização da fase α
Quando o aço-liga é revenido em altas temperaturas, ele pode formar carbonetos especiais com partículas finas que mantêm uma relação coerente com a fase α. Isso permite que o aço mantenha uma alta supersaturação de carbono na fase α e atrase significativamente sua recuperação e recristalização. Como resultado, a fase α permanece num estado altamente distorcido, mantendo a sua elevada dureza e resistência, levando a uma elevada estabilidade de revenido.
Elementos de liga comumente usados em ligas de aço, como Mo, W, Ti, V, Cr, Si, etc., podem dificultar a eliminação de várias distorções durante o revenido. Geralmente atrasam a recuperação e recristalização da fase α (aumentam a temperatura de recristalização), bem como o processo de agregação e crescimento de carbonetos, o que ajuda a melhorar a estabilidade do revenido do aço.
O efeito retardador dos elementos de liga é potencializado com o aumento do seu conteúdo no aço.
Quando vários elementos de liga são adicionados ao aço simultaneamente, a interação entre eles é intensificada.
O aço-liga apresenta alta estabilidade de revenido e mantém sua alta dureza e resistência mesmo em temperaturas mais altas. Isso o torna adequado para aços ferramenta, como cortadores de cavacos e matrizes para trabalho a quente, que exigem dureza vermelha e resistência térmica.
7. Conclusão
Este artigo discute cinco fatores que podem influenciar a transformação de revenimento de elementos de liga. Acredito que depois de lê-lo, você terá obtido insights e inspiração valiosos.
