O processo de transformação da austenita durante o tratamento térmico

Durante o processo de tratamento térmico, a transformação da austenita (γ-Fe, estrutura cúbica de faces centradas, uma solução sólida de carbono em γ-Fe) é a etapa central que determina a microestrutura final e as propriedades dos materiais de aço. Ele consiste principalmente em duas etapas: a formação da austenita (austenitização) e a transformação por resfriamento da austenita. A seguir, uma descrição detalhada do processo de transformação e suas características: 

I. Formação da Austenita (Austenitização)

A austenitização refere-se ao processo em que o aço é aquecido acima de sua temperatura crítica (Ac₁ ou Ac₃) e a perlita (uma mistura de ferrita e cementita) se transforma em austenita. Sua essência é a transformação da estrutura cristalina da cúbica centrada no corpo (ferrita) para a cúbica de faces centradas (austenita) por meio da difusão atômica. É dividida em quatro etapas:

1. Nucleação da Austenita

Quando aquecido acima da temperatura Ac₁, a austenita primeiro nuclea na interface entre a ferrita e a cementita na perlita. Isso ocorre porque a interface tem alta energia (existência de energia de distorção) e a concentração de carbono é desigual (o teor de carbono na ferrita é baixo, enquanto o da cementita é alto), atendendo às condições termodinâmicas e cinéticas para a nucleação.

2. Crescimento da austenita

Os cristais de austenita nucleados continuam a crescer "absorvendo" ferrita e cementita da área circundante:

A ferrita (cúbica centrada no corpo) se transforma em austenita (cúbica centrada nas faces) por meio de rearranjo atômico;

A cementita (Fe₃C) se decompõe em átomos de carbono e ferro, e os átomos de carbono se difundem para a austenita (a solubilidade do carbono na austenita é muito maior do que na ferrita).

3. Dissolução do carboneto residual

Quando a perlita se transforma completamente em austenita, se a temperatura de aquecimento for alta o suficiente ou o tempo de espera for longo o suficiente, a cementita incompletamente decomposta (carbonetos residuais) continuará a se dissolver na austenita até desaparecer completamente.

4. Homogeneização da composição da austenita

Devido à distribuição desigual da concentração de carbono na austenita inicial (maior teor de carbono na área da cementita e menor na área da ferrita), é necessária a homogeneização da composição por meio da difusão dos átomos de carbono, formando finalmente uma austenita com composição uniforme. 

II. Transformação de resfriamento da austenita

A transformação de resfriamento da austenita é um aspecto-chave no tratamento térmico (o núcleo de processos como tempera, revenimento e normalização), e os produtos da transformação dependem da taxa de resfriamento e da temperatura de transformação. Pode ser dividida em duas categorias principais: transformação isotérmica (transformação a uma temperatura constante) e transformação de resfriamento contínuo (transformação durante o resfriamento contínuo). Correspondendo a diferentes produtos de transformação.

1. Transformação Isotérmica (Baseada na Curva TTT)

A transformação isotérmica refere-se ao resfriamento rápido da austenita para uma determinada temperatura (abaixo de A₁) e mantê-la nessa temperatura para completar a transformação em condições de temperatura constante. A lei de transformação pode ser descrita pela curva TTT (curva de cinética de transformação isotérmica). Dependendo da temperatura de transformação, os produtos podem ser classificados em três tipos:

(1) Transformação de Pearlita (Zona de Alta Temperatura, A₁ a 550°C)

Mecanismo de transformação: Transformação do tipo difusão (tanto os átomos de ferro quanto os átomos de carbono sofrem difusão).

Forma do produto: Uma mistura em camadas de ferrita (α-Fe) e cementita (Fe₃C), conhecida como perlita.

Com base no grau de refinamento do espaçamento lamelar, pode ser classificada como:

Perlita: O espaçamento lamelar é relativamente grosso (espaçamento > 0,5 μm), facilmente distinguível em um microscópio óptico;

Esferoidita: O espaçamento lamelar é relativamente fino (0,1 - 0,5 μm), exigindo observação com microscopia de alta potência;

Triclinita: O espaçamento lamelar é extremamente fino (<0,1 μm), apenas distinguível por microscopia eletrônica.

Características de desempenho: Quanto mais fino o espaçamento lamelar, maior a resistência e a dureza (por exemplo, dureza da triclinita > esferoidita > perlita), mas a tenacidade geralmente é boa.

(2) Transformação de Bainita (Zona de temperatura média, de 550°C ao ponto Ms)

Mecanismo de transformação: Transformação do tipo semi-difusão (átomos de ferro não se difundem, enquanto os átomos de carbono sofrem difusão de curta distância).

Forma do produto: De acordo com a temperatura de formação, pode ser classificada como:

Bainita superior: Formada na faixa de 550°C a 350°C, apresentando uma aparência "semelhante a penas" (disposição paralela de tiras de ferrita, com carbonitretos distribuídos entre as tiras);

Bainita inferior: Formada na faixa de 350°C até o ponto Ms, apresentando uma aparência "semelhante a agulhas" (partículas finas de carbonitretos uniformemente distribuídas dentro de agulhas de ferrita).

Características de desempenho: A bainita superior tem baixa tenacidade (os carbonitretos entre as tiras tendem a causar concentração de tensão); A bainita inferior tem alta resistência (dureza 50 - 60 HRC) e boa tenacidade (melhor do que a bainita superior e a perlita), sendo uma excelente estrutura de material composto.

(3) Transformação de martensita (Zona de baixa temperatura, abaixo do ponto Ms)

Mecanismo de transformação: Transformação do tipo não difusivo (os átomos apenas sofrem deslocamento de cisalhamento, sem difusão de longa distância), pertencendo à transformação do tipo "cisalhante".

Forma do produto: Solução sólida de carbono super-saturado α-Fe (estrutura cúbica centrada no corpo), apresentando formas aciculadas ou lamelares:

Martensita de alto carbono: Quando o teor de carbono é > 1,0%, apresenta forma "aciculada" (interseccionada e com fissuras microscópicas);

Martensita de baixo carbono: Quando o teor de carbono é < 0,2%, apresenta forma "lamelar" (disposição paralela, sem fissuras).

Características de desempenho: A dureza é extremamente alta (martensita de baixo carbono ~ 30 - 50 HRC, martensita de alto carbono ~ 60 - 65 HRC), mas frágil (especialmente a martensita de alto carbono), e após a transformação, haverá austenita residual (austenita residual).

Temperaturas críticas:

Ponto Ms: Temperatura inicial da transformação para martensita (diminui com o aumento do teor de carbono, ferro puro Ms ≈ 910°C, com 1,0% de carbono, Ms ≈ 210°C);

Ponto Mf: Temperatura final da transformação para martensita (com teor excessivo de carbono, Mf pode ser inferior à temperatura ambiente, resultando em austenita residual à temperatura ambiente). A taxa de resfriamento é relativamente lenta (por exemplo, normalização): Sob condições de resfriamento no ar, obtém-se perlita lamelar fina (Esquela);

A taxa de resfriamento é relativamente rápida (como resfriamento a óleo): Pode resultar em bainita (resfriamento a velocidade média);

A taxa de resfriamento é extremamente rápida (como têmpera em água): Além da "velocidade crítica de resfriamento", é diretamente superresfriada abaixo do ponto Ms, resultando em martensita (+ austenita residual). 

III. Fatores Chave que Afetam a Transformação da Austenita

1. Composição Química:

Conteúdo de carbono: Aumentar o conteúdo de carbono irá baixar os pontos Ms e Mf, aumentar a quantidade de austenita residual; acelerar a transformação da perlita e atrasar as transformações da bainita e da martensita.

Elementos de liga: Elementos como Cr, Ni e Mn baixam o ponto Ms e atrasam a transformação da martensita; elementos como Si e Mo refinam a estrutura da perlita ou da bainita.

2. Condições de Austenitização:

Quanto mais alta a temperatura de aquecimento e quanto mais longo o tempo de manutenção, mais grosseiros os grãos de austenita, mais uniforme a composição e mais lenta a taxa de transformação por resfriamento subsequente (grãos grosseiros reduzem a taxa de nucleação).

Velocidade de resfriamento: É o fator central que determina os produtos de transformação (por exemplo, a chave do têmpera é "resfriamento rápido para evitar a zona de transformação de perlita / bainita"). 

Resumo

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