Disciplina CIÊNCIA DOS MATERIAIS A. Marinho Jr. Materiais polifásicos - Processamentos térmicos

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1 Tópico 7E Materiais polifásicos - Processamentos térmicos Introdução Já vimos que a deformação plástica de um metal decorre da movimentação interna de discordâncias, fazendo com que planos cristalinos mais compactos deslizem em relação aos outros, conforme direções que também são as mais compactas. Existe um outro tipo de deformação cristalina, chamada macla, onde um grupo de planos cristalinos muda sua orientação em relação aos restantes, sob o efeito de tensões cisalhantes, do mesmo modo que a deformação plástica por deslizamento. Na figura a seguir são ilustradas as diferenças entre os dois casos: Figura Em (A) vemos um monocristal deformado por macla e, em (B), por deslizamento planar. `Na micrografia à direita, visualização de maclas dentro dos grãos de um material metálico policristalino. Já vimos também como, após um aquecimento conveniente, podemos mudar a estrutura de um metal e, para cada composição específica, conforme o tipo de resfriamento que fizermos (lento ou rápido), podemos congelar a estrutura desejada, de modo a alterar a estrutura original e transformá-la em outra que melhor atenda aos nossos interesses em termos de desempenho mecânico. Assim, num aço, por exemplo, podemos obter uma estrutura perlítica (ferrita + cementita), onde um dos componentes da perlita, a cementita (Fe 3 C), torna a nova estrutura mais dura do que, por exemplo, uma estrutura 1

2 ferrítica (ferro α, CCC) ou austenítica (ferro γ, CFC). A maioria dos tratamentos térmicos a que podem ser submetidos os aços, no entanto, visamm obter estruturas peculiares, como a martensítica ou martensítica revenida. A seguir, veremos mais detalhes sobre tais estruturas. Martensita e Martensita revenida Os principais mecanismos de resistência mecânica já foram vistos anteriormente, como no caso de endurecimento por solução e o encruamento. Veremos agora que a obtenção de um tipo de estrutura chamada martensita é particularmente importante no estudo da resistência dos aços e de algumas outras ligas, assim como microestruturas que podem ser obtidas a partir da mesma. Transformação martensítica no Ferro-Carbono Se a velocidade com que uma pequena amostra de aço eutetóide (0,8% de C) é resfriada a partir de uma temperatura ligeiramente superior à de transformação eutetóide (723ºC) for sucessivamente aumentada, as microestruturas resultantes, a temperatura ambiente, serão diferentes. Por exemplo, o espaçamento entre as lamelas de perlita pode variar de grosseira a fina quando, no processo chamado têmpera, se muda o método de resfriamento, de forno para óleo. Se uma velocidade de resfriamento ainda maior for usada, como, por exemplo, uma têmpera com resfriamento em água, a temperatura da amostra cairá tão rapidamente que, ao atingir 260ºC, a perlita ainda não terá começado a se formar. Nessa região de temperaturas, uma pequena porção da austenita se transforma, num curto espaço de tempo, da ordem de 10-7 s, em uma nova fase, que é tetragonal de corpo centrado, chamada martensita. À medida que a amostra começa a resfriar, a martensita continua a se formar da austenita restante, em explosões ( bursts ) locais muito rápidas, até que, a temperatura ambiente, a estrutura é constituída de martensita, com uma pequena quantidade (aprox. 8%) de austenita retida, ainda presente. Se a amostra for então resfriada à temperatura do Nitrogênio líquido ( - 196ºC), mais austenita retida se transformará em martensita, até que cerca de somente 3% de austenita permaneça retida. Toda a austenita retida, em temperatura ambiente ou abaixo dela, estará no estado metaestável, incapaz de se transformar em produtos de equilíbrio, ferrita e cementita, porque a temperatura é baixa para a necessária difusão atômica. A transformação martensitica ocorre como se fosse uma transformação sem difusão e é, portanto, única entre as transformações consideradas. Deve ficar claro que virtualmente nenhuma difusão pode ocorrer em 10-7 s e, dessa forma, os átomos da martensita devem 2

3 estar quase nas mesmas posições que os átomos de austenita da qual a martensita foi formada. A figura a seguir mostra que qualquer estrutura CFC pode ser também considerada tetragonal de corpo centrado (TCC). Se nenhum carbono estiver presente na austenita, ela se transformará em uma estrutura perfeita CCC (ferrita), abaixo de 912ºC, independentemente da velocidade de resfriamento. Esta transformação pode ser considerada como um achatamento da célula unitária TCC e isto é acompanhado por uma pequena mudança no raio atômico do ferro, da estrutura CFC para CCC. Figura Estrutura cúbica de face centrada (CFC), que pode ser vista também como tetragonal de corpo centrado (TCC) no destaque. 3

4 Se carbono estiver presente na austenita, como nos aços, ele se encontrará no meio de algumas das arestas dos cubos unitários CFC e nos respectivos centros, conforme se vê na figura acima. Essas duas posições são cristalográficamente equivalentes, uma vez que qualquer átomo de ferro pode ser considerado estar, ou em um vértice ou em uma face da célula unitária. Os átomos de carbono não podem ocupar uma grande proporção das posições na austenita em equilíbrio, porque a estrutura resultante estaria severamente deformada e, portanto, instável. O esquema da figura acima mostra as posições possíveis para o carbono intersticial no ferro CFC (austenita), com um átomo de carbono situado numa dessas posições. Quando a austenita, que contem algum carbono, tende a se transformar (em velocidades de resfriamento elevadas), na estrutura CCC do ferro puro, o carbono age evitando uma contração total na direção c. A figura mostra uma célula unitária de martensita, em que c > a, porque um átomo de carbono está situado ao longo de uma das arestas paralelas à direção c. O átomo de carbono está na mesma posição na estrutura que ele ocupava na estrutura da austenita da figura anterior. Isto reforça o caráter não-difusional da transformação martensítica. A presença de carbono intersticial ao longo das arestas c torna a direção c maior do que a direção a. O efeito do teor de carbono sobre os parâmetros da estrutura é mostrado no gráfico da figura a seguir. Figura Variação da relação c/a em função do teor de carbono nos aços 4

5 Como seria de esperar, um aumento do teor de carbono aumenta a relação c/a. Todas as células unitárias de um determinado cristal de martensita tem os eixos paralelos. A presença de um átomo de carbono ao longo de uma aresta paralela à direção c não só alongará a célula mas, provavelmente, causará algum empenamento local da célula unitária, afastando-se da tetragonal perfeita. A presença dessas grandes deformações, muito localizadas, na martensita, deve contribuir substancialmente para sua elevada dureza. Propriedades mecânicas da martensita A dureza da martensita ferro-carbono depende da quantidade de carbono presente. O gráfico da figura mostra a dureza, na escala Rockwell C, de lãminas finas de aço carbono comum, que foram aquecidas na faixa da austenita e então temperadas em água até a temperatura ambiente. Se a velocidade de resfriamento for bastante rápida para formar toda a martensita, a dureza pode ser segurametne prevista pelo teor de carbono do aço. Figura À esquerda, gráfico mostrando o aumento da dureza de um aço em função do teor de carbono. À direita, micrografia de um aço mostrando a fase martensita, reconhecível pelo seu aspecto acicular. 5

6 Usando técnicas comuns de têmpera, não é possível obter martensita em aços carbonos comuns com teores menores do que 0,20 % de carbono. O aumento continuo de dureza, já mostrado na figura 07.21, é coerente com o argumento de que um maior teor de carbono deforma mais a estrutura e, dessa forma, inibe mais efetivamente o movimento das discordâncias. A figura a seguir confronta as diversas curvas tensão deformação reais para um aço com 0,40 % de carbono, após diversos tratamentos térmicos. A curva (a) apresenta uma deformação substancial, que é característica de uma amostra constituída de ferrita e perlita. A curva (b), na qual somente o ponto de ruptura é mostrado, apresenta a pequena deformação usual que precede a fratura na martensita temperada. A energia necessária para fraturar cada amostra está relacionada com a área sob cada uma das curvas da figura. Como a área sob a curva (b) é muito pequena, a martensita temperada é considerada frágil. A área sob a curva (a) é grande, uma vez que a microestrutura de ferrita e perlita é, normalmente, dúctil à temperatura ambiente. A baixa resistência mecânica da martensita temperada é parcialmente devida às tensões residuais que ocorrem durante a têmpera. Essas elevadas tensões residuais resultam das deformações locais não-uniformes, durante a transformação da austenita em martensita. Quando se traciona uma amostra de martensita contendo tensões residuais, elas se somam às de tração aplicadas, causando ruptura sob tensões menores do que a necessária para a ruptura na ausência de tensões residuais. Se uma intensa deformação plástica ocorreu na martensita, antes da ruptura, as tensões residuais teriam sido grandemente reduzidas e a carga para a fratura seria aumentada. Desta forma, é a natureza frágil da fratura da martensita a responsável indireta pela freqüente diminuição da sua resistência mecânica. A têmpera em óleo, com as menores tensões residuais que resultam de uma velocidade de resfriamento mais lenta é, portanto, preferível à têmpera em água, se o aço é tal que a martensita possa ser produzida com velocidade de resfriamento mais lenta. 6

7 Figura Curvas tensão deformação reais, em temperatura ambiente, para uma amostra de aço com 0,4% de C, inicialmente aquecida na faixa da austenita: (a) resfriada no forno (perlita grosseira); (b) temperada em óleo (martensita); (c) temperada em óleo, então aquecida a 232ºC durante 30 min (martensita com tensões aliviadas); (d) temperada em óleo, aquecida a 427ºC durante 30 min (martensita revenida); (e) temperada em óleo, aquecida a 593ºC durante 30 min (martensita revenida); (f) temperada em óleo, aquecida a 704ºC durante 10 horas (principalmente esferoidita). Martensita revenida Se amostras temperadas de aço forem aquecidas a temperaturas acima de 260ºC, o excesso de carbono na martensita precipita em uma série de etapas, que terminam com a formação de partículas finas de Fe 3 C numa matriz de ferrita CCC. A ferrita pode ser considerada como a martensita com quase todo o carbono removido. Como este processo tem lugar a temperaturas relativamente baixas, a difusão é muito limitada. O carbono pode, dessa forma, difundir-se a somente pequenas distãncias e, portanto, o Fe 3 C forma-se como partículas muito finas que estão uniformemente distribuídas em toda a ferrita. A microestrutura resultante dá uma combinação ideal de resistência mecânica e ductilidade elevadas, que é denominada martensita revenida (muito embora nenhuma martensita esteja presente quando a precipitação de Fe 3 C for completa). As curvas (d) e (e) da figura acima mostram a faixa do comportamento mecânico que pode ser esperado da martensita revenida. A seleção apropriada da temperatura de revenido (dentro de limites) pode fornecer uma ampla faixa de resistência mecânica, 7

8 dureza e ductilidade, porque uma temperatura de revenido mais elevada permite uma maior velocidade de difusão e, em conseqüência, tamanhos e espaçamentos maiores das partículas de Fe 3 C. Conseqüentemente, nota-se que a resistência mecânica e a dureza da martensita revenida dependem, sobretudo, da percentagem de carbono e da temperatura de revenido. Se um revenido mais longo ocorre exatamente abaixo da temperatura de transformação do eutetóide, o Fe 3 C se forma como grandes partículas esferoidais de espaçamento extremamente amplo. Essa estrutura, chamada esferoidita (quando o teor de carbono é eutetóide) tem menor resistência mecânnica e maior ductilidade do que qualquer martensita revenida ou quaisquer microestruturas perlíticas. A curva (f) da figura apresenta essas propriedades características dessas estruturas (as microestruturas da ferrita + esferoidita podem também ser produzidas formando-se primeiro ferrita + perlita e permitindo-se o Fe 3 C aglomerar a aproximadamente 704ºC em grandes esferóides). Revisão 00 Março de

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