Transformação do Aço Durante o Resfriamento – Widmanstatten
1. Formação da estrutura Widmanstatten
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 fundição, laminação a quente e forjamento. A costura de solda ou zona afetada pelo calor é resfriada pelo ar ou, quando a temperatura é muito alta, resfriada rapidamente. Isto resulta no crescimento e precipitação de ferrita pré-eutetóide ou cementita pré-eutetóide a partir do limite de grão da austenita ao longo de certos planos cristalinos da austenita, em forma de agulha.
2. Microestrutura da estrutura de Widmanstatten
Sob um microscópio metalográfico, pode-se observar a presença de ferrita ou cementita acicular quase paralela ou regularmente disposta e a estrutura perlita entre elas. Esta estrutura é referida como Widmanstätten, e a figura a seguir ilustra o Widmanstätten de ferrita e cementita.
3. Mecanismo de formação da estrutura de Widmanstatten
A ferrita de Widmanstatten é formada através 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 cristalina específica da austenita e tem uma relação de orientação cristalina com sua fase original, a austenita.
A formação de ferrita acicular pode ocorrer diretamente a partir da austenita ou a ferrita em rede pode ser precipitada ao longo dos limites de grão da austenita e crescer paralelamente no cristal.
À medida que a ferrita de Widmanstatten se forma, o carbono se difunde da ferrita para a fase original, a austenita, em ambos os lados, fazendo com que o teor de carbono da austenita entre as agulhas de ferrita aumente continuamente e eventualmente se transforme em perlita.
A ferrita de Widmanstatten formada através do mecanismo de transformação da bainita é, na verdade, bainita livre de carbono.
4. Fatores que influenciam
A formação da estrutura de Widmanstatten depende do teor de carbono, do tamanho do 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 diversas ferritas e cementitas. Como pode ser visto na figura, a estrutura de Widmanstatten (zona W) só pode se formar sob taxas de resfriamento relativamente rápidas e dentro de uma faixa específica de teor de carbono.
Para o aço hipoeutetóide, se a fração mássica de carbono exceder 0,6%, torna-se difícil formar a estrutura de Widmanstatten devido ao seu alto teor de carbono e baixa probabilidade de formar uma zona pobre em carbono.
A pesquisa mostra que para o aço hipoeutetóide, a estrutura de Widmanstatten só pode se formar quando o teor de carbono está dentro de uma faixa estreita de ωc = 0,15% a 0,35% e a taxa de resfriamento é rápida, com um tamanho de grão fino de austenita.
Quanto mais fino o grão da austenita, mais fácil é formar a ferrita em rede, mas não a estrutura de Widmanstatten. Por outro lado, quanto mais grosso o grão de austenita, mais fácil é formar a estrutura de Widmanstatten e a faixa de teor de carbono necessária para formá-la torna-se mais ampla.
Assim, a estrutura de Widmanstatten é tipicamente observada em aços com estrutura de grão de austenita grossa.
5. Propriedades da estrutura de Widmanstatten
(1) Widmanstatten é um tipo de estrutura superaquecida em aço que pode ter um impacto negativo nas propriedades mecânicas do aço. Isto 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 apenas quando o grão de austenita é grosseiro, uma estrutura grosseira de ferrita ou cementita Widmanstatten aparece e a matriz está seriamente fragmentada.
No entanto, quando o grão de austenita é relativamente fino, mesmo que haja uma pequena quantidade de ferrita acicular na estrutura Widmanstatten presente, as propriedades mecânicas do aço não serão significativamente impactadas. Isto se deve à subestrutura mais fina e à maior densidade de deslocamento de ferrita na estrutura de Widmanstatten.
(3) A redução das propriedades mecânicas do aço devido à estrutura de Widmanstatten está sempre relacionada ao engrossamento dos grãos de austenita. Caso a estrutura de Widmanstatten apareça em aço ou aço fundido e reduza suas propriedades mecânicas, o primeiro passo é considerar se ela é causada pelo engrossamento do grão de austenita devido às altas temperaturas de aquecimento.
(4) Para aços propensos à estrutura de Widmanstatten, ela pode ser evitada ou eliminada através do controle adequado do processo de laminação, reduzindo a temperatura final do forjamento, controlando a taxa de resfriamento após o forjamento ou alterando o processo de tratamento térmico, como têmpera e têmpera, normalização, recozimento ou têmpera isotérmica para refinar o grão.
6. Valorização de Widmanstatten estrutura
Transformação do Aço Durante o Resfriamento – Martensita
Estrutura, estrutura e propriedades do cristal de martensita
1. Definição
(1) Transformação Martensítica: A transformação de fase não difusiva que ocorre quando o aço é rapidamente resfriado do estado austenítico para evitar sua decomposição difusiva (abaixo do ponto MS) é conhecida como transformação martensítica.
É importante notar que a transformação é característica da martensita e os produtos de transformação são todos chamados de martensita.
(2) Martensita: Em essência, a martensita no aço é uma solução sólida intersticial onde o carbono está supersaturado em α-Fe.
2. Estrutura cristalina da martensita
A estrutura cristalina martensítica pode assumir as seguintes formas:
- Cúbica de corpo centrado: Esta é a estrutura cristalina da martensita encontrada em aços com baixo teor de carbono ou ligas sem carbono.
- Tetragonal de corpo centrado: É a estrutura cristalina da martensita encontrada em aços com alto teor de carbono.
- Rede hexagonal: Esta é a estrutura cristalina da martensita encontrada em ligas complexas à base de ferro em baixas temperaturas.
3. Microestrutura da martensita
Existem duas formas básicas de martensita no aço: martensita de ripa (martensita de deslocamento) e martensita lamelar (também conhecida como martensita de agulha).
(1) Ripa Martensita
A martensita ripada 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: ripas de martensita (D) → feixe de martensita (B-2; C-1) → grupo de ripas (3-5) → ripa de martensita.
b) As ripas densas são geralmente separadas por austenita residual com alto teor de carbono.
A presença desta fina camada de austenita residual pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas do aço.
c) Há um grande número de discordâncias na martensita ripada e a distribuição dessas discordâncias não é uniforme.
Forma uma subestrutura celular, chamada 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%), níquel (ωNi = 30%), aço inoxidável e 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 parece semelhante a uma agulha ou a uma folha de bambu sob o microscópio óptico.
Portanto, a martensita lamelar também é conhecida como martensita em forma de agulha ou martensita em forma de folha de bambu.
(b) Características microestruturais: As folhas de martensita na martensita lamelar não são paralelas entre si.
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 grosseira será a folha de martensita.
(d) Martensita Criptocristalina: Quando o maior pedaço de martensita é muito pequeno para ser distinguido por um microscópio óptico, ele é chamado de “martensita criptocristalina”.
A martensita obtida por têmpera 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.
Os gêmeos estão normalmente localizados no centro da martensita e não se estendem até a região da borda da folha de martensita. A região de borda contém discordâncias de alta densidade.
Em aços com teor de carbono ωC > 1,4%, uma região gêmea fina com alta densidade pode ser vista na linha central da placa de martensita.
(f) Microfissuras: A rápida formação de martensita gera um campo de tensão considerável quando colide com outros limites de grão de martensita ou austenita.
A martensita lamelar é dura e quebradiça, e a tensão não pode ser relaxada por deslizamento ou deformação dupla, tornando-a suscetível a trincas por impacto.
Em geral, quanto maior o grão de austenita e 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 da tensão interna, as microfissuras acabarão por se expandir em macrofissuras, levando à fissuração da peça ou a uma redução notável na sua vida à fadiga.
(g) Morfologia: A morfologia da martensita depende principalmente do teor de carbono da austenita e está relacionada à temperatura inicial 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% | martensita de placa | Abaixo de 200 ℃ |
| ωC=0,2%~1% | Estrutura mista de ripa e chapa | O cavalo de tabuleiro é formado primeiro e depois 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 aumentam o ponto MS) aumentam a probabilidade de formação de martensita lamelar.
4. Propriedades da martensita
(1) Propriedades Mecânicas: A martensita é caracterizada por alta resistência e dureza.
(2) Efeito do teor de carbono nas propriedades: A dureza da martensita depende principalmente do seu teor de carbono.
Quando ωC <0,5%, a dureza da martensita aumenta acentuadamente com o aumento do teor de carbono.
Porém, quando ωC > 0,6%, embora a dureza da martensita aumente, a dureza do aço diminui devido à presença de maior quantidade de austenita residual.
(3) Influência dos Elementos de Liga: Os elementos de liga têm um efeito mínimo na dureza da martensita, mas podem aumentar sua resistência.
(4) Dureza: A martensita possui níveis variados de dureza e resistência, que são alcançados principalmente por meio do fortalecimento da solução, fortalecimento da transformação de fase e fortalecimento do envelhecimento.
Os detalhes são os seguintes:
Fortalecimento da solução sólida: A presença de átomos intersticiais na lacuna octaédrica da rede da fase α cria uma distorção quadrada na rede, o que gera um campo de tensão.
Este campo de tensão interage fortemente com as discordâncias, 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. As luxações de alta densidade na martensita ripada e os gêmeos na martensita lamelar inibem o movimento das luxações, fortalecendo assim a martensita.
Fortalecimento por Envelhecimento: Após a formação da martensita, os átomos dos elementos de carbono e liga se difundem, segregam ou precipitam em discordâncias ou outros defeitos da rede, prendendo as discordâncias e tornando mais difícil o movimento das discordâncias, fortalecendo assim a martensita.
(5) Resistência da martensita: Quanto menor o tamanho do grupo ou folha de ripas de martensita, maior será a resistência da martensita. Isso ocorre porque a interface de fase da martensita impede o movimento de discordância, e quanto menor o grão original da austenita, maior será a resistência da martensita.
A plasticidade e a tenacidade 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: Dentre as diversas estruturas em aço, a austenita possui o menor volume específico e a martensita possui o maior volume específico.
Assim, a expansão volumétrica do aço durante a têmpera é um fator importante na geração de grandes tensões internas, deformações e até mesmo trincas na peça.
Características da transformação da martensita
A força motriz por trás da transformação da martensita, como 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 esta mudança de fase também é influenciada pela energia de 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 martensita e austenita e a necessidade de superar a resistência ao cisalhamento e gerar numerosos defeitos de rede, leva ao aumento da energia de deformação elástica e grande resistência à transformação da martensita. Como resultado, é necessário um subresfriamento suficiente para garantir que a força motriz da transformação supere a resistência da transformação, permitindo que ocorra a transformação de austenita em martensita.
A temperatura inicial da transformação da martensita, denotada 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 sub-resfriada que ocorre em baixas temperaturas.
Em comparação com a transformação perlita e a transformação bainita, a transformação martensita tem as seguintes características distintas:
- Natureza Não Difusiva da Transformação Martensita
A transformação da martensita ocorre quando a austenita é sub-resfriada. Neste momento, a atividade dos átomos de ferro, átomos de carbono ou elementos de liga é muito baixa, de modo que a transformação ocorre sem difusão. Há apenas uma reconstrução das regras da rede e não há mudança na composição entre a nova fase e a fase pai.
- Coerência de cisalhamento da transformação da martensita
Cisalhamento refere-se à deformação causada por duas forças paralelas próximas, iguais em tamanho e direções opostas, agindo sobre o mesmo objeto. Durante a transformação da martensita, a superfície superior da amostra pré-polida inclina-se e torna-se 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 parental, a austenita, permanecem coerentes, com átomos na interface pertencentes à martensita e à austenita. A interface de fase é um limite de grão coerente ao 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 cristalinos e de hábitos específicos da fase parental e mantém a coerência através do cisalhamento da fase parental.
- A transformação da martensita ocorre dentro de uma faixa de temperatura
Nucleação de Martensita
A nucleação da 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 no estado sólido, a transformação da martensita também ocorre através de nucleação e crescimento. A transformação é uma migração de átomos de curto alcance e, após a formação de um núcleo cristalino, 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 o subresfriamento, menor o tamanho crítico da nucleação. É necessário um resfriamento adicional para que os núcleos menores nucleem e cresçam em martensita.
Para aço carbono industrial em geral e aços-liga, a transformação da martensita ocorre durante o resfriamento contínuo (temperatura variável). A austenita no aço é resfriada abaixo do ponto MS a uma velocidade maior que a velocidade crítica de têmpera, resultando na formação imediata de alguma martensita. A transformação não tem período de incubação e, com a diminuição da temperatura, forma-se martensita adicional, 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 de alto 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 à temperatura ambiente, conhecida como austenita retida.
Para transformar completamente a austenita retida, ela pode ser submetida a “tratamento a frio”, como ser colocada 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 grande deformação plástica ou tensão de compressão durante a têmpera. A austenita retida está relacionada à estabilização mecânica. A austenita circundada pela martensita encontra-se em estado comprimido e incapaz de se transformar, levando 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 martensita. Isto é referido como transformação de martensita induzida por deformação.
- Reversibilidade da Transformação Martensita
Reversibilidade refere-se à capacidade de alguns ferro, ouro, níquel e outros metais não ferrosos de transformar a austenita em martensita após o resfriamento e depois novamente em austenita após o reaquecimento sem difusão.
No entanto, esta 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. Este processo é conhecido como têmpera.
