2. Aços Rápidos
2.3. Efeitos dos elementos de liga nos aços rápidos
Os elementos de liga produzem numerosos efeitos sobre as propriedades dos aços, e podem ser divididos em classes. Como a classe dos elementos que alargam a zona gama (ou gamágenos) e a classe dos que comprimem a zona gama (ou alfágenos).
AISI UNS C Mn Si Cr Ni Mo W V Co M1 T11301 0.78-0.88 0.15-0.40 0.20-0.50 3.50-4.00 0.30MAX 8.20-9.20 1.40-2.10 1.00-1.35 ... M2 T11302 0.78-0.88;0.95-1.05 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30MAX 4.50-5.50 5.50-6.75 1.75-2.20 ... M3,class1 T11313 1.00-1.10 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30MAX 4.75-6.50 5.00-6.75 2.25-2.75 ... M3,class2 T11323 1.15-1.25 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30MAX 4.75-6.50 5.00-6.75 2.75-3.75 ... M4 T11304 1.25-1.40 0.15-040 0.20-0.45 3.75-4.75 0.30MAX 4.25-5.50 5.25-6.50 3.75-4.50 ... M7 T11307 0.97-1.05 0.15-0.40 0.20-0.55 3.50-4.00 0.30MAX 8.20-9.20 1.40-2.10 1.75-2.25 ... M10 T11310 0.84-0.94;0.95-1.05 0.10-0.40 0.20-0.45 3.50-4.50 0.30MAX 7.75-8.50 ... 1.80-2.20 ... M30 T11330 0.75-0.85 0.15-0.40 0.20-0.45 3.50-4.25 0.30MAX 7.75-9.00 1.30-2.30 1.00-1.40 4.50-5.50 M33 T11333 0.85-0.92 0.15-0.40 0.15-0.50 3.50-4.00 0.30MAX 9.00-10.00 1.30-2.10 1.00-1.35 7.75-8.75 M34 T11334 0.85-0.92 0.15-0.40 0.20-0.45 3.50-4.00 0.30MAX 7.75-9.20 1.40-2.10 1.90-2.30 7.75-8.75 M35 T11335 0.82-0.88 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30MAX 4.50-5.50 5.50-6.75 1.75-2.20 4.50-5.50 M36 T11336 0.80-0.90 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30MAX 4.50-50.50 5.50-6.50 1.75-2.25 7.75-8.75 M41 T11341 1.O5-1.15 0.20-0.60 0.15-0.50 3.75-4.50 0.30MAX 3.25-4.25 6.25-7.00 1.75-2.25 4.75-5.75 M42 T11342 1.05-1.15 0.15-0.40 0.15-0.65 3.50-4.25 0.30MAX 9.00-10.00 1.15-1.85 0.95-1.35 7.75.8.75 M43 T11343 1.15-1.25 0.20-0.40 0.15-0.65 3.50-4.25 0.30MAX 7.50-8.50 2.25-3.00 1.50-1.75 7.75.8.75 M44 T11344 1.10-1.20 0.20-0.40 0.30-0.55 4.00-4.75 0.30MAX 6.00-7.00 5.00-5.75 1.85-2.20 11.00-12.25 M46 T11346 1.22-1.30 0.20-0.40 0.40-0.65 3.70-4.20 0.30MAX 8.00-8.50 1.90-2.20 3.00-3.30 7.80-8.80 M47 T11347 1.05-1.15 0.15-0.40 0.20-0.45 3.50-4.00 0.30MAX 9.25-10.00 1.30-1.80 1.15-1.35 4.75-5.25 M48 T11348 1.42-1.52 0.15-0.40 0.15-0.40 3.50-4.00 0.30MAX 4.75-5.50 9.50-5.50 2.75-3.25 8.00-10.00 M62 T11362 1.25-1.35 0.15-0.40 0.15-0.40 3.50-4.00 0.30MAX 10.00-11.00 5.75-6.50 1.80-2.10 ... T1 T12001 0.65-0.80 0.10-0.40 0.20-0.40 3.75-4.50 0.30MAX ... 17.25-18.75 0.90-1.30 ... T2 T12002 0.80-0.90 0.20-0.40 0.20-0.40 3.75-4.50 0.30MAX 1.00MAX 17.50-19.00 1.80-2.40 ... T4 T12004 0.70-0.80 0.10-0.40 0.20-0.40 3.70-4.50 0.30MAX 0.40-1.00 17.50-19.00 0.80-2.20 4.25-5.75 T5 T12005 0.75-0.85 0.20-0.40 0.20-0.40 3.75-5.00 0.30MAX 0.50-1.25 17.50-19.00 1.80-2.40 7.00-9.50 T6 T12006 0.75-0.85 0.20-0.40 0.20-0.40 4.00-4.75 0.30MAX 0.40-1.00 18.50-21.00 1.50-2.10 11.00-13.00 T8 T12008 0.75-0.85 0.20-0.40 0.20-0.40 3.75-4.50 0.30MAX 0.40-1.00 13.25-14.75 1.80-2.40 4.25-5.75 T15 T12015 1.50-1.60 0.15-0.40 0.15-0.40 3.75-5.00 0.30MAX 1.00MAX 11.75-13.00 4.50-5.25 4.75-5.25 Aços Rápidos ao Tungstênio
Aços Rápidos ao Molibdênio
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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Os elementos mais importantes do grupo dos gamágenos são: manganês, níquel, cobalto e nitrogênio. Já os elementos que pertencem ao grupo dos alfágenos são: alumínio, silício, fósforo, titânio, vanádio, cromo, molibdênio, tântalo e tungstênio. A seguir temos a descrição do efeito, sobre os aços rápidos, de cada um dos seus principais elementos de liga.
Carbono: O carbono, é o responsável direto pela resistência ao desgaste e pela alta dureza a quente, através da formação de carbonetos complexos. Os teores usuais de carbono variam entre 0,65% e 1,50%, com cerca de 30% (destes valores) dissolvidos na matriz. A quantidade mais adequada de carbono é dada por aquela que seja estequiometricamente necessária para a formação dos carbonetos e para alcançar a dureza requerida na matriz (a dureza da martensita aumenta quanto maior a quantidade de carbono). Em geral, ao aumentar-se a quantidade de carbono, também aumenta a quantidade de austenita residual e diminuem-se as temperaturas de sólido e líquido, com um aumento conseqüente da faixa da fusão. Entretanto, também aumenta a dureza a alta temperatura e o número de carbonetos duros e estáveis que contribuem para aumentar a resistência ao desgaste.
Tungstênio e Molibdênio: São elementos alfágenos e carborígenos, são substitucionais (um átomo de W por um de Mo) e possuem a mesma função nos aços, melhorando as propriedades de corte e a dureza a quente. O W e o Mo são os elementos mais utilizados nos aços rápidos, sendo os responsáveis pela formação de uma grande quantidade de carbonetos
primários do tipo M6C, constituindo composições do tipo: (Fe,Cr,V)4
(W,Mo)2C – (Fe,Cr,V)3(W,Mo)3C. Estes carbonetos são parcialmente
solúveis na matriz do aço, tendo pouca contribuição no endurecimento secundário, mas contribui amplamente na dureza a temperaturas elevadas. A austenita nos aços rápidos com Molibdênio é menos estável que os com Tungstênio, o que representa uma vantagem nos tratamentos térmicos, pois melhora a temperabilidade dos mesmos, apesar de que os aços que não apresentam W possuem maior tendência a descarbonetação.
Cromo: elemento alfágeno e carborígeno apresenta a propriedade de melhorar a resistência à oxidação, melhorar o endurecimento secundário
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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devido à precipitação de carbonetos de M23C6 durante o revenido, e
diminuir as variações dimensionais durante os tratamentos térmicos. Os
carbonetos de M23 C6 podem trocar Cr por Fe para formar carbonetos com
W e Mo. O papel mais importante realizado pelo cromo nestas ligas é de retardar o amolecimento na faixa de revenimento de 530-600ºC. Historicamente, o cromo foi adicionado para melhor a tenacidade, prevenir a oxidação durante a austenitização a alta temperatura e para promover um endurecimento secundário. [HETZNER, 2001].
Vanádio: Elemento alfágeno e carborígeno, seu principal efeito e´a formação de carbonetos de elevada dureza (conhecidos como MC, apesar
de sua estequiometria ser próxima a V4C3), o qual aumenta amplamente a
resistência ao desgaste e levemente à dureza a quente . Estes carbonetos apresentam um efeito refinador de grão (fixam o movimento dos contornos
de grão durante o tratamento térmico, de forma igual aos M6C), e diminuem
a temperabilidade.
Cobalto : Este elemento não se apresenta em todos os tipos de aço rápidos, ele não e´ um elemento formador de carboneto, dissolve–se na matriz e amplia a temperatura da curva solidus, permitindo que se realizem maiores temperaturas de austenitização, diminui o conteúdo de austenita retida, promove um refino da perlita e principalmente da martensita, sendo um de seus fatores mais importantes no aumento da dureza a quente .
Outros elementos formadores de carbonetos conhecidos são o Ti, Nb e o Ta, que formam carbonetos muito estáveis do tipo MC, promovendo elevada resistência ao desgaste.
Entre todos os carbonetos mencionados , os que se encontram presentes em todos
os aços rápidos são os M6C e MC (ambos de estrutura cúbica de face centrada)
[ODÉRIZ,1998], contendo também M23C6 (cúbica de face centrada) ou M7C3 (hexagonal), dependendo da quantidade de carbono. As ligas com maior quantidade de
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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A maioria dos carbonetos do tipo M23C6 e M7C3 entram em solução durante o
tratamento de endurecimento, sendo que os outros carbonetos se dissolvem em maior ou menor quantidade dependendo da temperatura de austenitização.
Recentemente, os HSS estão sendo aplicados na produção de cilindros de laminação com o objetivo de produzir laminados com espessura homogênea e superfície uniforme durante a laminação a quente, desta forma, aumentando a qualidade superficial do laminado e ampliando o tempo de vida do cilindro [HWANG, 1998], [VILLARES, 1998].
A quantidade de carbono nos cilindros de HSS é geralmente 1.5 –2.0 % , a maioria do qual está combinado com elementos fortemente formadores de carbonetos, como V, W e Mo. O restante do carbono, 0.3–0.6 % está contido dentro da matriz, e forma martensita finamente distribuída na estrutura.
Composição Química dos Cilindros Pesquisados (% em peso)
Cilindro C W Mo V Cr Si Mn P S Ni Al Weq* A 1.95 1.6 1.7 5.1 5.5 1.0 0.9 ≤0.05 ≤0.05 1.2 0.02 5.0 B1 1.95 2.0 3.0 3.6 9.0 1.0 0.9 ≤0.05 ≤0.05 1.2 0.02 8.0 B2 1.95 2.0 3.0 5.0 9.0 1.0 0.9 ≤0.05 ≤0.05 1.2 0.02 8.0 C1 1.90 5.0 2.5 5.0 5.0 1.0 0.9 ≤0.05 ≤0.05 1.2 0.02 10.0 C2 1.90 5.0 5.0 5.0 5.0 1.0 0.9 ≤0.05 ≤0.05 1.2 0.02 15.0 D 1.45 5.0 5.0 5.0 5.0 1.0 0.9 ≤0.05 ≤0.05 1.2 0.02 15.0
*Weq= W+2Mo; Tungstênio Equivalente
Tabela 2 - Estudo da influência dos elementos constituintes dos HSS [HWANG, 1998].
Variando–se a composição dos constituintes dos HSS, tende-se a formar quantidades diferenciadas de carbonetos na matriz. A maioria dos HSS forma carbonetos
do tipo MC, M2C, M6C e M 7C3 além de M23C6 sendo a quantidade de cada um destes
carbonetos determinada pela quantidade presente dos elementos que formam preferencialmente um ou outro tipo de carboneto.
O carbono é o elemento principal na formação dos carbonetos, determinando também o tipo de martensita que irá se formar na matriz, dependendo da quantidade presente nesta após a formação dos carbonetos possíveis.
Para um teor acima de 0,4 % forma-se uma martensita de elevada dureza, tipo placa (A, C1 e C2), que aumenta a dureza média da matriz, diminuindo entretanto sua tenacidade devido ao fato que a martensita tipo placa nucleia e propaga microfissuras na matriz Figura 1 (d, e).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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Para um teor de carbono abaixo de 0,4 % (B1 e B2) presente na matriz, forma–se preferencialmente uma martensita finamente distribuída na microestrutura, que diminui a dureza média da matriz , entretanto eleva a tenacidade da mesma Figura 1 (b, c).
Para o HSS com elevada quantidade de Cr Figura 1 (b, c), formam–se uma
quantidade maior de M7 C3, além de MC e M2C . Os carbonetos do tipo M7C3 e M2C
localizam–se ao longo dos contornos dos grãos, e quase todos os carbonetos tipo MC são formados dentro dos grãos em um formato esférico ou tipo barra.
Se a quantidade de tungstênio equivalente for elevada (W + 2%Mo), forma–se uma
quantidade maior de partículas muito fibrosas tipo M2C e observa-se a formação de M6C,
MC, com redução de M7C3 além da formação de martensita tipo placa Figura 1 (e).
Os carbonetos de MC são ricos em V (estequiometria V4 C3) contendo a maior
parte do V com pequenas quantidades de W, Mo, Cr e Fe. Os carbonetos de M2C e M7 C3
são carbonetos que contém Mo e W, e os carbonetos M7C 3 são carbonetos que contém
principalmente Cr.
A dureza dos carbonetos de MC formados dentro dos grãos é consideravelmente
alta, em torno de 2740 VHN (microdureza Vickers), enquanto que os carbonetos de M2C,
M6C e M7C3 nas regiões intercelulares apresentam dureza de 2230, 1890 e 2380 VHN,
respectivamente, gerando uma dureza muito maior do que a matriz martensítica (650 VHN).
No estado fundido, através da análise por raio-x, os picos de martensita e os
carbonetos de MC e M2C são dominantes junto com uma pequena quantidade de austenita.
Acima da austenitização a 11000C por 1 hora e tempera, os picos de martensita, MC e M2C
permanecem, e novos picos de carbonetos de M6C aparecem .
Após a têmpera, a quantidade de austenita retida aumenta consideravelmente e a redução da quantidade de austenita retida após o revenido é proporcional ao aumento da temperatura de revenimento [HWANG, 1998].
Os carbetos fibrosos de M2C no estado fundido são decompostos em carbetos do
tipo MC e M6C após a austenitização.
A taxa de decomposição tende a aumentar com a elevação da temperatura de
austenitização. Os carbonetos M2C permanecem o mesmo em sua forma até após serem
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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propriedades como a resistência à fadiga térmica e a tenacidade à fratura não são muito afetadas.
Figura 1 - Distribuição dos carbonetos em função da composição química de 6 HSS estudados para uso em cilindros de laminação (Tabela 2); a) A; b) B1; c) B2; d) C1; e) C2; f) D; [HWANG,
1998].
Quanto maior a temperatura de austenitização, maior a dureza, isto se deve aos
carbonetos finos de M23C6 que são dissolvidos dentro da austenita na temperatura de
austenitização, sendo o aço temperado para formar a martensita com elevada dureza. [HWANG, 1998]. Martensita Tipo Placa Matriz Martensitica Fina Perlita
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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Os HSS são geralmente caracterizados, por possuírem dureza elevada e excelente resistência ao desgaste, oxidação, e a formação de rugosidade superficial através da adição dos fortes formadores de carbonetos tipo V, W, Mo e Cr para formarem carbonetos duros de MC, M2C, M6C e M7C3.
Entretanto, além destas variáveis, as propriedades dos HSS são determinadas por vários fatores microestruturais, como: tipo, forma, fração volumétrica e distribuição dos carbonetos, características da matriz martensítica e estrutura de solidificação dos carbonetos formados .
Quando a quantidade de carbono é menor que 0.3%, diminui-se o efeito do tratamento térmico, mas no caso de estar acima de 0.6 %, pode ser seriamente prejudicial ao coeficiente de tenacidade à fratura por causa do aumento na quantidade de martensita tipo placa. Quando a quantidade de carbono é baixa, a dureza tende a diminuir, devido a uma menor formação de carbetos tipo MC. Entretanto, quando a quantidade de carbono excede um certo limite dos elementos formadores de carbonetos, estruturas abundantes do tipo rede (eutético), são formadas nos contornos de célula.
Isto também pode ser prejudicial à dureza e ao coeficiente de tenacidade devido à
formação de carbonetos M3C que possuem baixa dureza, segundo a reação (Liquido
austenita + M3C). Então, a quantidade de carbonetos depende da quantidade de cada
formador de carboneto.
Uma quantidade apropriada de W e Mo melhora a distribuição de carbonetos, particularmente MC. Quando estes são adicionados em excesso, eles são eliminados na fase líquida retida durante a solidificação, e aceleram a reação eutética. Como resultado,
uma grande quantidade de carbetos tipo M2C é formada nos contornos de célula.
Quando o W e o Mo estão em pequenas quantidades, a dureza diminui por que os
carbetos do tipo M2C são facilmente formados, e o efeito da dureza secundária durante o
revenimento diminui.
Então, a quantidade apropriada de W e Mo é de 3–4 % na qual a formação de
carbetos de M2C possa ser prevenida, enquanto que homogêniza e melhor distribui as
quantidades de carbetos do tipo MC [HWANG, 1998].
A adição de Cr previne a oxidação superficial, melhorando a dureza da matriz através da precipitação de finos carbonetos, e ajuda a formar camadas de óxido de ferro
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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sobre a superfície do cilindro durante a laminação, adicionado geralmente na quantidade de 5 %.
Entretanto a quantidade excessiva de Cr diminui o coeficiente de tenacidade á fratura, pelo fato que pode causar a formação de uma quantidade elevada de carbonetos do
tipo M7C3, principalmente nos contornos dos grãos. As quantidades usuais de Cr estão
entre 5 e 7 %.
O vanádio quando combinado com carbono, forma carbonetos muito duros, melhorando a dureza e a resistência ao desgaste. Quando a quantidade de V é baixa em relação à quantidade de carbono, o intervalo para formar austenita primária aumenta, causando a formação de carbetos de MC sob uma quantidade insuficiente de fase líquida, e conseqüentemente, resultando na segregação dos carbetos de MC no contorno dos grãos.
Um nível excessivo de V faz com que os carbonetos de MC não se formem na fase
γ. Os carbonetos de MC que possuem baixa densidade (5.6 g/cm3) em relação à fase
líquida tendem a segregar devido à força centrífuga reduzindo significantemente o efeito do V adicionado. A quantidade apropriada de V apresenta–se entre 5 - 6 %.
Neste caso, os carbonetos de MC são formados em um estado com fase líquida suficiente, crescem junto com a austenita primária, e estão distribuídos homogeneamente, principalmente dentro dos grãos. Análises indicam que os conteúdos apropriados dos elementos de ligas são, 1.9 - 2.0 % de carbono, 3 - 4 % de W e Mo respectivamente, 5 - 7% de Cr , e 5 - 6 % de V.
Os carbonetos de M6C são formados no sentido do núcleo do material, enquanto
que a fração dos carbonetos de M2C é reduzida desde a superfície. Isto indica que os
carbonetos de M2C são formados principalmente sob elevadas taxas de refrigeração,
enquanto que os carbonetos de M6C juntamente com os carbonetos de M2C são formados
sob baixas taxas [HWANG, 1998].
A Figura 2 apresenta um resumo da evolução da microestrutura ao longo de um século de desenvolvimento dos processos de produção dos aços rápidos.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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Figura 2 - Evolução da microestrutura dos aços rápidos [BOCCALINI, 2001].
A presença de ferrita residual na microestrutura de solidificação é conseqüência da
transformação peritética incompleta (a ferrita se transforma em austenita + carboneto pela
reação δ-eutetóide) e é dependente da taxa de resfriamento e do conteúdo de carbono.
Uma baixa fração de volume de δ-eutetóide corresponde a um baixo conteúdo de
carbono ou uma baixa taxa de resfriamento.
A literatura sobre aços rápidos freqüentemente alude a um microconstituinte de
eutético particular por meio do carboneto formado: eutético de M6C, eutético de M2C, ou
eutético de MC. Embora faltando em precisão, esta terminologia descreve a diferença essencial entre os eutéticos. Cuidado deve ser tomado, entretanto, para distinguir se um autor está se referindo ao componente de eutetico (austenita + carboneto) ou a carbonetos isolados, particularmente ao discutir frações de volume [BOCCALINI, 2001].
A fração de volume de eutéticos total, a fração de volume de cada eutético diferente, e a sucessão pela qual eles precipitam depende da composição química, da taxa de resfriamento e da presença de elementos de liga residual. Geralmente, a fração de volume de eutéticos total aumenta com o aumento dos conteúdos de C e V, com o aumento da relação de W/Mo e com a diminuição das taxas de resfriamento [BOCCALINI, 2001].
O eutético de MC é favorecido com respeito aos eutéticos M2C e M6C aumentando
o conteúdo de V que aumenta o conteúdo de V global e faz o líquido residual da reação peritética mais rico em V, aumentando a força motriz para a formação do eutético MC,
como também aumentando a temperatura de formação dos eutéticos M2C e M6C,
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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O carboneto de M2C dissolve todos os elementos principais dos aços rápidos. Além
disso, a composição do carboneto de M2C apresenta grande variabilidade e é influenciada
pela taxa de resfriamento. Carbonetos de M2C tem uma estrutura cristalina hexagonal e sua
dureza é ao redor de 2000HV. O carboneto de M2C, enquanto sendo metaestável,
decompõe-se em MC, e M6C quando aquecido em temperaturas entre 900ºC e 1150ºC.
A rápida seqüência de solidificação dos pós de aços rápidos não é descrita claramente na literatura, os dados só permitem propor um quadro global sobre as ligas. Esta provavelmente é uma conseqüência da dificuldade de observar em pequena escala a microestrutura (a identificação dos produtos da solidificação é executada por técnicas de difração por raio-x), como também pela impossibilidade de executar experimentos de solidificação clássicos, como solidificação direcional por resfriamento e análise térmica [BOCCALINI, 2001].
As fases cúbicas de corpo centrado (ferrita delta) e a fase cúbica de face centrada (austenita) são identificadas nas dendritas (ou celulas). A presença e a origem destas fases dependem da composição química do aço rápido, principalmente do seu conteúdo de carbono.
Para conteúdos de carbono mais altos que 1,3% (como os aços rápidos via M/P tipo ASP 30 e T15, por exemplo), a austenita primária é transformada parcialmente em martensita durante o resfriamento, conduzindo assim a uma matriz com austenita retida e martensita.
Para conteúdos mais baixos de carbono (Aços rápidos convencionais T1 e M2), a ferrita delta é a fase primária e a formação da austenita peritética é parcialmente suprimida devido à taxa de resfriamento alta; a matriz resultante é formada por ferrita delta, austenita peritética e martensita. O liquido interdendritico restante (ou intercelular) decompõe por
reações eutéticas (Liquido → austenita + carbonetos) e a austenita eutética resultante é
parcialmente transformada em martensita.
No caso de aços produzidos por MP (metalurgia do pó), os eutéticos MC e M2C
precipitam, devido aos altos conteúdos de carbono e vanádio e as altas taxas de resfriamento. O volume da fração total de carbonetos eutéticos não é sensível ao tamanho da partícula (isto é a taxa de resfriamento), mas o volume da fração de carboneto MC
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
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Para os aços M2 e T1 convencionais, porém, a literatura mostra dados
contraditórios: M2C ou M6C, misturados ou foram identificados em partículas de pó
solidificadas com taxas de resfriamento semelhantes ou mais baixas. Depois das altas temperaturas de consolidação e do tratamento térmico final do material, todas as fases metaestáveis desaparecem, formando uma isotrópica e muito fina distribuição de carbonetos em uma matriz martensítica [BOCCALINI, 2001].