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, é uma descrição detalhada do processo de transformação e suas características: 

I. Formação da Austenita (Austenitização)

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 do cúbico centrado no corpo (ferrita) para o cúbico de faces centradas (austenita) por meio da difusão atômica. Esse processo é dividido em quatro etapas:

1. Nucleação da Austenita

Quando o aço é aquecido acima da temperatura Ac₁, a austenita primeiro se nuclea na interface entre a ferrita e a cementita na perlita. Isso ocorre porque a interface tem alta energia (devido à presença de energia de distorção) e a concentração de carbono é irregular (a concentração de carbono é menor na ferrita e maior na cementita), atendendo às condições termodinâmicas e cinéticas para 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 por meio de rearranjo atômico;

A cementita (Fe₃C) se decompõe em átomos de carbono e ferro, com os átomos de carbono se difundindo 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 manutenção for longo o suficiente, a cementita não completamente 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 teor de carbono 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 têmpera, revenimento e normalização), e os produtos de transformação dependem da taxa de resfriamento e da temperatura de transformação. Pode ser dividida em duas categorias principais: transformação isotérmica (transformação durante a manutenção a 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 a uma determinada temperatura (abaixo de A₁) e mantê-la nessa temperatura para completar a transformação em 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;

Esferita: O espaçamento lamelar é relativamente fino (0,1 - 0,5 μm), requerendo microscopia de alta potência para observação;

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

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

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

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

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

Baenítica superior: Formada na faixa de 550°C a 350°C, apresentando uma aparência "semelhante a penas" (as tiras de carboneto de ferro estão dispostas paralelamente, com carbonitretos distribuídos entre as tiras);

Baenítica inferior: Formada na faixa de 350°C até o ponto Ms, apresentando uma aparência "agulhiforme" (agulhas de carboneto de ferro são uniformemente distribuídas dentro de finos carbonitretos).

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

(3) Transformação martensítica (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 "cisalhamento".

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

Martensita de alto carbono: Quando o teor de carbono é > 1,0%, apresenta forma de "agulha" (se cruzando e com microfissuras);

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

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

Temperaturas críticas:

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

Ponto Mf: Temperatura final da transformação da martensita (com teor excessivo de carbono, Mf pode ser inferior à temperatura ambiente, resultando em austenita residual à temperatura ambiente). Taxa de resfriamento lenta (como normalização): Sob condições de resfriamento no ar, obtém-se perlita em lamelas finas (esferoidite);

Taxa de resfriamento rápida (como resfriamento a óleo): Pode resultar em bainita (resfriamento a velocidade média);

Taxa de resfriamento extremamente rápida (como tempera em água): Acima da "velocidade crítica de resfriamento", é diretamente super-resfriada 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 abaixará os pontos Ms e Mf, aumentará a quantidade de austenita residual; acelerará a transformação da perlita e atrasará as transformações da bainita e da martensita.

Elementos de liga: Elementos como Cr, Ni e Mn abaixam 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 serão os grãos de austenita, mais uniforme será a composição e mais lenta será a taxa de transformação de resfriamento subsequente (grãos grosseiros reduzem a taxa de nucleação).

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

Resumo

A transformação da austenita é o cerne do tratamento térmico. Ao controlar a temperatura de austenitização, o tempo de manutenção e a taxa de resfriamento, diferentes estruturas, como perlita, bainita e martensita, podem ser obtidas, regulando assim as propriedades dos materiais de aço, como resistência, dureza e tenacidade (por exemplo, endurecimento rápido + revenimento pode resultar em martensita revenida com equilíbrio entre resistência e tenacidade, e a normalização pode produzir uma estrutura uniforme de sorbitas).