3. Revisão Bibliográfica
3.3. Martensita em Aços Inoxidáveis Austeníticos
Os aços inoxidáveis austeníticos possuem uma estrutura cúbica de face centrada – CFC – na qual os átomos estão idealmente dispostos como esferas idênticas não deformáveis no modo compacto[5] , conforme mostrado na figura 3.8. Uma outra estrutura compacta é a estrutura hexagonal compacta – HC, figura 3.9.
Figura 3.8 – Modelo de empilhamento cúbico de face centrada de esferas rígidas.
Figura 3.9 – Modelo de empilhamento hexagonal compacto de esferas rígidas. O empilhamento de planos compactos na estrutura CFC é do tipo: ...ABC... (ou ... CBA ...) O outro modo de empilhamento compacto é do tipo[5]:
que corresponde a estrutura hexagonal compacta, HC. (figura 3.9).
Quando uma seqüência de átomos empilhados de modo compacto do tipo ABCABC possui uma descontinuidade na ordem de empilhamento do tipo AB⎮ABC, obtém-se localmente a
estrutura HC. Este empilhamento, denominado ε[5]
, foi observado no ferro puro sob alta pressão em baixa temperatura, e suas relações entre os parâmetros da rede são:
1 1
2, da diagonal de uma face do cubo 2
2
aε = aγ (3.5)
2 2
3, diagonal principal do cubo 3 3 cε = aγ (3.6) 2 6 :1, 63 3 c a ε ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (3.7) Nas quais
aε é o parâmetro de rede da fase ε (típico de HC),
cε é a distância entre a seqüência de planos ABA, ou o parâmetro de altura ao longo
do eixo c em uma HC (figura 3.9),
aγ é o parâmetro de rede da fase γ, CFC (figura 3.8).
Descontinuidades, como a apresentada acima, são denominadas falhas de empilhamento. Como os átomos de ambos os lados de uma falha de empilhamento não estão nas posições que normalmente ocupariam em um reticulado perfeito, uma falha possui uma energia de superfície associada, a energia de falha de empilhamento[23]. Em um metal CFC, a adição de elementos de liga pode alterar a energia de falha de empilhamento. Níquel, cobre e carbono aumentam a energia de falha de empilhamento dos aços inoxidáveis austeníticos, enquanto cromo e silício, diminuem tal energia. Schramm and Reed apud Talonen et al [50] sugeriram a equação abaixo para cálculo de energia de falha de empilhamento em aços inoxidáveis austeníticos:
2
EFE(mJ/m ) = -53 + 6, 2%Ni + 0, 7%Cr + 3, 2%Mn + 9,3%Mo (3.8) na qual EFE é a energia de falha de empilhamento e % é a porcentagem em peso do elemento.
As martensitas presentes no aço inoxidável austenítico, α’ e ε, de estruturas CCC e HC, possuem parâmetros de rede típicos de[4]: aα’ = 0,2878nm, aε = 0,2532nm e cε = 0,4114nm.
Assumindo[6] aγ = 0,3585nm, calcula-se que a transformação γ→α’ causa um aumento de
volume de 2,57%, enquanto que a transformação γ→ε causa um decréscimo de volume de 0,81%. Em estágios iniciais de deformação, bandas de cisalhamento consistindo de pacotes de falha de empilhamento e maclas de deformação são formadas, devido à baixa energia de falha de empilhamento dos aços. A fase ε é finamente dispersa e sua estrutura contém falhas de empilhamento. A nucleação da α’ ocorre nas intersecções das bandas de cisalhamento[24]
. A formação e a quantidade de α’ e ε dependem, portanto, da sua energia de falha de empilhamento, da sua temperatura, quantidade e taxa de deformação [4,6, 25, 26, 28, 43]. O efeito da taxa de deformação é de difícil estudo, pois como a taxa de deformação aumenta, a temperatura do corpo de prova é também aumentada devido à dissipação de calor por efeito Joule[28].
Mangonon and Thomas[26], trabalhando com o aço inoxidável do tipo AISI 304, encontraram que, para 20% de deformação em –196ºC, a quantidade de α’ formada pode alcançar valores da ordem de 50% do volume do material. Durante a deformação, a quantidade de ε aumenta até 5% de deformação e após este valor decresce. Por outro lado, a quantidade de α’aumenta continuamente com a deformação. De acordo com os autores a martensita α’ forma preferencialmente nas interseções entre placas de ε com contornos de macla e com contornos de grão. Seetharaman and Krishnan apud Padilha[6], trabalhando com um aço AISI 316, também encontraram que durante a deformação em baixas temperaturas a formação da martensita ε precede a formação da α’. Eles também encontraram que a quantidade de martensita ε aumenta com a deformação até um máximo após o qual a quantidade de ε diminui, enquanto a martensita α’ continua a aumentar com a deformação[6]
.
Jang et al[27] mostraram, através de micrografia óptica (figura 3.10), a martensita ε com diferentes variantes numa matriz γ e martensita α’ paralela a ε numa liga Fe-Mn-Si. Podem ser observadas na microestrutura a matriz γ (região cinza), martensita ε (região branca) e a martensita α’ (região preta). As setas A, B e C indicam a localização das variantes da martensita ε. A martensita α’ é observada somente dentro das placas de ε.
Quando o aço inoxidável austenítico contendo martensita induzida por deformação é submetido a um tratamento térmico, a martensita pode reverter para a austenita. Esta reversão
ocorre em temperaturas mais baixas e tempos mais curtos em relação à temperatura e tempo necessários para recristalização do aço inoxidável austenítico[8]
Figura 3.10 – Micrografia óptica de uma liga Fe-Mn-Si com diferentes martensitas: ε, branca, γ, cinza e α’, regiões pretas nas placas de ε. A, B e C indicam diferentes variantes de ε[27]
. A indução de martensita por deformação traz alguns cuidados aos procedimentos metalográficos. Nos aços inoxidáveis, estes procedimentos são basicamente os mesmos utilizados para aço carbono ou aço-ferramenta. Entretanto, deve existir um cuidado especial para evitar uma microestrutura modificada. Por exemplo, o aço inoxidável austenítico endurece rapidamente pelo trabalho a frio devido à variação da estabilidade deste aço. Então, a martensita induzida por deformação pode ser produzida durante a preparação metalográfica inadequada. Portanto, o corte e lixamento devem ser feitos cuidadosamente[28]. Na prática, a indução de martensita sempre ocorre durante o processo de polimento mecânico. No entanto, com uma preparação metalográfica cuidadosa esse efeito torna-se de menor importância[7]. O polimento eletrolítico pode ser utilizado com muitos aços inoxidáveis, particularmente os do tipo austenítico. Embora o polimento eletrolítico revele partículas de segunda-fase e inclusões e seja possível a ocorrência de corrosão por pontos (“pitting”), os resultados são melhores quando um breve polimento eletrolítico é utilizado após o polimento mecânico final. A camada superficial de martensita induzida durante o polimento mecânico é removida[7]. Devido à diferença das fases martensíticas e matriz presentes no aço inoxidável, sua complexidade microestrutural, boa resistência à corrosão um grande número de ataques foram desenvolvidos. Contorno de grão é um dos importantes parâmetros microestruturais revelados
pelo ataque químico, embora o completo delineamento dos contornos de grãos seja algo difícil nos aços inoxidáveis[7].