5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 308 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
3.1 Transformações de fases nos aços martensíticos com reversão austenítica
3.1.1 Fases volumétricas mais relevantes
3.1.1.2 Austenita revertida e austenita retida
As austenitas retida e revertida são fases com estrutura cristalina CFC, comumente observadas na condição de fornecimento dos AISM e aços maraging para aplicações estruturais na indústria do transporte de petróleo e gás, automotiva e aeroespacial. Estas duas fases não são facilmente diferenciáveis, pois comumente apresentam morfologias e padrões de difração similares. Contudo, o mecanismo de transformação e a sua composição são diferenciáveis.
55 A austenita retida nos aços de matriz martensítica é definida como aquela que fica presente na temperatura ambiente, após resfriamento continuo desde a temperatura de austenitização completa (RAABE, 2013; BELDE, 2015). Sua presença está relacionada à estabilização composicional, associada à segregação local de elementos gamagênicos; e à estabilização mecânica, resultante da restrição espacial decorrente da expansão volumétrica de ripas de martensita durante o resfriamento.
Por outro lado, a austenita revertida está associada àquela que é produzida durante o revenimento no campo intercrítico da austenita, a partir de nucleação e crescimento nas interfaces entre ripas martensíticas. Neste caso, a composição da austenita segue a partição química ditada pelo equilíbrio local, imposto pela temperatura de transformação. A diferença composicional entre ambos tipos de austenita é mostrado na Figura 3. 5 para o caso de um aço maraging Fe-9Mn-1,9Ni-0,6Mo-1,1Ti-0,33Al-0,1Si-0,05C (% at.), analisado por tomografia de sonda atômica por RAABE, 2013. Enquanto que a austenita retida evidencia concentração de manganês segundo o teor nominal da liga (12 % at.), a austenita revertida apresenta forte partição do mesmo elemento segundo o equilíbrio local para a temperatura de revenimento (25 % at.).
Existe uma grande dificuldade na diferenciação microestrutural entre as austenitas retida e revertida e as martensitas temperada e revenida, pois estas quatro fases apresentam morfologias e distribuições muito semelhantes quando observadas por métodos tradicionais como a microscopia ótica. Apesar de existirem fortes diferenças composicionais entre a austenita e a martensita, o tamanho refinado das ripas, que está em torno de algumas centenas de nanômetros, faz com que a sua identificação por espectroscopia de raios-X por dispersão de energia ou difração de elétrons retro-espalhados na microscopia eletrônica de varredura seja desafiadora. A Figura 3. 6 mostra claramente a semelhança geométrica entre a martensita (vermelho) e a austenita revertida (verde) para um aço maraging 7 Mn – 0,5 Si – 0,1 C (% em massa), mediante uso de difração de elétrons retro-espalhados de alta resolução no MEV. Para o caso de uma amostra laminada a quente e revenida em 640 °C por 30 minutos, ambas as fases apresentam formatos de ripas alongadas. Por outro lado, após laminação a frio e revenimento nas mesmas condições, ambas as fases apresentam morfologia equiaxial.
56
Figura 3. 5. Diferença composicional da austenita revertida estável segundo o equilíbrio local e a austenita retida com composição nominal. Aço Maraging Fe-9Mn-1,9Ni-0,6Mo-1,1Ti- 0,33Al-0,1Si-0,05C (% at.). Adaptado de RAABE, 2013.
Mesmo que a austenita e a martensita sejam diferenciáveis por difração, seja de elétrons ou de raios-X, não é possível diferenciar a austenita retida da austenita revertida, nem a martensita nova da martensita revenida para o caso de aços martensíticos de baixo carbono. A Figura 3. 7 mostra a difração de raios-X, coletada após revenimento em várias temperaturas da região intercrítica da austenita para um AISM 12Cr-6Ni-2Mo-0,02C-0,13Ti (% em massa). Para amostras revenidas em 580 °C sem reversão austenítica, pode-se observar o pico de martensita revenida fino {110} devido ao alívio de tensões por recristalização estática. Para condições de revenimento em temperaturas intercríticas muito altas, acima de 650 °C, observa- se pouca ou nenhuma presença de austenita revertida e, simultaneamente, alargamento do pico martensítico {110} devido à transformação da austenita revertida instável (presente em temperatura elevada) em martensita nova durante o resfriamento. Para as condições de
57 temperatura de revenimento intermediária, entre 600 e 625 °C, há presença do pico {111} da austenita (estável durante o resfriamento), acompanhado de alargamento moderado de pico martensítico {110}.
Figura 3. 6. Mapas de fase por EBSD do aço maraging 7 Mn – 0,5 Si – 0,1 C (% em massa) mostrando a morfologia da microestrutura após a) laminação a quente e revenimento em 640 °C durante 30 min; b) laminação a frio e revenimento em 640 °C durante 30 min. Adaptado de HAN, 2017.
58
Figura 3. 7. Difratogramas obtidos após revenimento intercrítico de um AISM 12Cr-6Ni- 2Mo-0,02C-0,13Ti após revenimento em temperaturas entre 580 e 720 °C durante 2,5 horas. Adaptado de ATEHORTUA, 2013.
Um exemplo de diferenciação da martensita revenida, austenita revertida e martensita ε é mostrado na Figura 3. 8 para um aço maraging 9 Mn –1,9 Ni –0,6 Mo – 1,1 Ti – 0,33 Al – 0,1 Si e 0,01 C (% em massa). Na condição solubilizada e temperada em ar, observa-se microestrutura típica de martensita nova com grãos apresentando blocos e ripas grosseiras (a). Após revenimento em 600 °C por 1 (c) e 8 horas (e), observa-se a formação e crescimento de ripas. O mapa de fases obtido por EBSD mostra a presença da matriz de martensita nova em vermelho após tempera em ar (b). Após uma hora de revenimento (d), observa-se que as ripas
33
34
35
36
37
38
Intensidade
(Un
ida
des
Arbi
tr
ári
as
)
Revenimento em 720 °C Revenimento em 700 °C Revenimento em 625 °C Revenimento em 580 °C Revenimento em 650 °CÂngulo (2θ)
Revenimento em 610 °C Revenimento em 600 °C Martensita revenida 98% Martensita nova + 2% martensita revenida 82% Martensita nova + 18% martensita revenida 41% Martensita nova + 52% martensita revenida 14 %Martensita nova + 68% martensita revenida 82 % Martensita revenida 87 % Martensita revenida 98% Martensita revenida 13% Austenita revertida 18% Austenita revertida 18% Austenita revertida 7% Austenita revertida 2% Austenita revertida 0% Austenita revertida 0% Austenita revertida59 correspondem com austenita revertida. Finalmente, após 8 horas de revenimento (f), observa- se o crescimento das ripas de austenita e a presença de martensita ε.
Figura 3. 8. Reversão de austenita durante o revenimento em 600 °C de um aço maraging 9 Mn –1,9 Ni –0,6 Mo – 1,1 Ti – 0,33 Al – 0,1 Si e 0,01 C (% em massa). a), c) e e) mostram a evolução microestrutural para amostras na condição de têmpera, revenimento de 1 hora e revenimento de 8 horas, respectivamente; b) d) e f) mostram o mapa de fases para martensita α, austenita revertida γ e martensita ε para as condições de têmpera, revenimento de 1 hora e revenimento de 8 horas, respectivamente. Adaptado de WANG, 2015. SE: solubilizada; S1h: Revenida 1 hora; S8h: Revenida 8 horas.
KONDO, 1999, desenvolveu um diagrama experimental, baseado em caracterização microestrutural, com objetivo de estudar as fases presentes na temperatura ambiente após resfriamento desde 1050 °C. O diagrama foi construído para AISM com diferentes teores de cromo entre 12 a 19 %, de níquel entre 2 e 14 %, de molibdênio entre 0 e 3 % e teor fixo de carbono de 0,01 % em peso. Como mostrado no diagrama experimental da Figura 3. 9, microestruturas monofásicas ou misturadas podem ser atingidas em função da combinação de elementos de liga. Altos teores de cromo, com baixos teores de níquel, favorecem a formação de ferrita . Microestruturas completamente martensíticas podem ser obtidas com teores de cromo abaixo de 16 %, sempre que este elemento seja balanceado pela adição de níquel entre
60 3 e 10 % em peso. O níquel é necessário para estabilizar a fase austenítica e evitar a formação de ferrita . A adição do mesmo acima de 10 % em peso conduz à retenção de austenita.
Figura 3. 9. Diagrama experimental de microestruturas em função do teor de cromo, níquel e molibdênio para 0,01% de C em massa. Os aços foram austenitizados a 1050°C e resfriados em ar. Martensita (círculo branco); ferrita (triângulo); austenita (círculo preto). Adaptado de KONDO, 1999. A presença e a distribuição de duas fases são representadas pelo preenchimento dos símbolos entre branco e preto. Por exemplo, quando há presença de ferrita delta e martensita em temperatura ambiente, os triângulos pretos simbolizam maior presença da primeira; enquanto que triângulos brancos simbolizam maior presença da segunda.