Para compreender as fases do aço, é muito utilizado o diagrama de fases Ferro- Carbono. O diagrama de fases Ferro-Carbono é obviamente o diagrama mais estudado dentre todas as ligas metálicas presentes na atualidade, fato facilmente
explicado já que os aços carbono, além de serem os materiais metálicos mais utilizados pelo homem, apresentam variadas transformações no estado sólido. O estudo do diagrama de fases permite-nos compreender porque variações do teor de carbono nos aços resultam na obtenção de diferentes propriedades, e dessa maneira, possibilitam a fabricação de aços de acordo com propriedades desejadas.
Campo ferrítico (fase α) – Campo correspondente à solução sólida de carbono no ferro α, nesse campo a estrutura atômica é cúbica de corpo centrado.
Campo austenítico (fase γ) – Campo correspondente à solução sólida de carbono no ferro γ, nesse campo a estrutura atômica é cúbica de face centrada. Essa fase tem solubilidade máxima de carbono de 2,06% à 1147°C.
Cementita (Fe3C) – Microconstituinte composto de ferro e carbono. Esse carboneto apresenta elevada dureza, estrutura atômica ortorrômbica e 6,7% de carbono.
Ponto eutetóide – Ponto correspondente à composição de carbono de 0,8%. Ligas dessa composição, elevadas até o campo austenítico (fase γ) e em seguida resfriadas lentamente, atravessam a reação eutetóide, reação onde a austenita transforma-se em perlita, microestrutura constituída de lamelas de cementita (Fe3C) envoltas em uma matriz ferrítica (fase α). Ponto eutético – Ponto correspondente à composição de carbono de 4,3%. Trata-se do ponto de mais baixa temperatura de fusão ou solidificação, 1147°C. Ligas dessa composição são denominadas ligas eutéticas.
Ferrita primária de contorno de grão: É o primeiro produto a se formar na decomposição da austenita, formando-se a taxas de resfriamento muito lento.
Ferrita poligonal intragranular: Aparece na forma de grãos, normalmente poligonais, e nucleia quase que exclusivamente no interior dos grãos austeníticos. Se a austenita tiver um tamanho de grão muito maior que a ferrita que está sendo formada nos seus contornos e houver sítios para nucleação intragranular, grãos de ferrita podem ser formados no interior da austenita. Quando se forma a temperaturas
elevadas, a ferrita apresenta grãos equiaxiais que são facilmente identificados com o microscópio ótico.
Ferrita acicular: Corresponde ao tipo mais frequente de ferrita nucleada no interior dos grãos austeníticos. Este constituinte pode ser formado a temperaturas tão baixas, quantas aquelas de formação da bainita em aços baixo carbono e baixa liga resfriados continuamente, tendo sido indicadas, como exemplo de faixas de temperatura de formação deste constituinte, temperaturas como 510-440°C e 560- 500°C (OHKITA, 1995). Características da formação da ferrita acicular fazem com que esta seja considerada por alguns autores como uma forma de bainita nucleada intragranularmente. A nucleação da ferrita acicular ocorre de forma heterogênea, no interior dos grãos de austenita, em sítios como inclusões (ou próxima a estas), precipitados e outras irregularidades nos grãos austeníticos (COCHRANE, 1982). A sua formação é favorecida pela presença de precipitados e, particularmente, de numerosas inclusões resultantes da presença de oxigênio, em geral, em teores superiores aos do metal base. Esta forma de ferrita possui granulação muito fina e maior densidade de deslocações. Devido ao seu pequeno tamanho de grão e diferença de orientação cristalina entre os grãos, este constituinte é considerado um dos melhores para garantir uma tenacidade elevada (COCHRANE, 1982).
Perlita: é uma fase em forma de lamelas, intermediária entre a ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil). Com o resfriamento, a austenita, que possui uma concentração de carbono intermediária, se transforma em uma fase ferrita, que possui um teor de carbono muito mais baixo, e também em cementita, com uma concentração de carbono muito mais elevada. A temperatura desempenha um papel importante na taxa de transformação da austenita em perlita (CALLISTER JR, 2000).
O refinamento da perlita afeta as propriedades mecânicas do aço através do aumento do limite de escoamento, como mostra a equação 3.2 (KRAUSS, 1989).
Onde LE é o limite de escoamento do aço, dado em MPa; S é o espaçamento interlamelar da perlita, dado em mm-1/2; P é o tamanho da colônia de perlita, dado em mm-1/2, e d é o tamanho de grão da austenita, dado em mm-1/2.
A perlita existe como grãos, frequentemente chamados de "colônias", dentro de cada colônia, as camadas estão orientadas essencialmente na mesma direção, a qual varia de uma colônia para oura. As camadas claras mais grossas representam a fase ferrita, enquanto a fase cementita aparece como lamelas finas. Na Figura 22 mostra a representação esquemática da perlita a partir da austenita, ferrita acicular, ferrita de contorno de grão, ferrita poligonal intraganular e ferrita com 2° fase.
Figura 22 – (a) Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlita. (b) e (c) Fotomicrografias com diferentes constituintes microestruturais, sendo: AF - ferrita acicular, PF(G) – ferrita de contorno de grão, PF(I) – ferrita poligonal intraganular, FS(A) e FS(NA) – ferrita com 2° fase.
Fonte: (a) CALLISTER JR (2000); (b) e (c) (IIW, 1988).
Os átomos de carbono se difundem para longe das regiões da ferrita, com 0,022%p, e em direção às camadas de cementita, com 6,7% C, à medida que a perlita se estende do contorno do grão para o interior do grão de austenita não reagido. Na Figura 23 mostra a representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita.
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Figura 23 – Representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita.
Fonte: Callister JR (2000).
Martensita: Constituinte formado como produto final de transformação da austenita sob condições de alta taxa de resfriamento e elevado teor de C. É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão) tem forma acicular de agulhas, é dura, frágil, com estrutura tetragonal cúbica. (CALLISTER JR, 2000).
Durante o tratamento de têmpera, o aço tem sua dureza elevada devido à não ocorrência do fenômeno de difusão, ou seja, o carbono fica retido na martensita, o que aumenta a dureza do material. Com o revenimento é possível corrigir as durezas, pois neste tratamento térmico ocorre a difusão, ou seja, o carbono é difundido para o material, não ficando retido apenas na martensita, o que permite que a dureza diminua. (CALLISTER JR, 2000)
O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura até certo nível e manter por algum tempo, conforme restante da curva verde da Figura 24. A linha indicativa do processo no diagrama TTT na Figura 24 dá uma ideia das etapas de martensita e revenido. Na Em razão das posições das linhas de início e de fim da transformação (Mi e Mf no diagrama), há necessidade de um rápido resfriamento para que ela ocorra. Na prática, isso é obtido através da imersão da peça em um meio adequado (água ou óleo, por exemplo). Em alguns casos, jatos de ar são suficientes para a operação.
Figura 24 – Representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita.
Fonte: Ferros & aços I-50 (2015).