MECANISMOS DE ENDURECIMENTO NA MARTENSITA E O COMPORTAMENTO DA CURVA DE ENVELHECIMENTO

O endurecimento durante o envelhecimento nos aços maraging tem sido estudado por diversos pesquisadores (FLOREEN; DECKER, 1962; VISWANATHAN; DEY; ASUNDI, 1993; WILSON, 1997; SHA, 2000; GUO; SHA, 2002; PARDAL et al., 2005). Estes estudos mostraram que os aços maraging têm um comportamento típico de uma curva de envelhecimento com um único pico de dureza, como ilustrado na figura 44.

Figura 44: Curva de endurecimento em função do tempo de envelhecimento (GUO; SHA, 2002). A figura 44 mostra que o comportamento de uma curva típica de envelhecimento apresenta dois estágios. Uma etapa de endurecimento decorrente do cisalhamento de pequenos precipitados coerentes e ordenados em relação à matriz, enquanto o amolecimento é devido a uma mudança no mecanismo de endurecimento por precipitação em virtude da formação de precipitados grossos (WILSON, 1997; MARTIN, 1998; SHA, 2000; GUO; SHA, 2002; PARDAL et al., 2005). Além do amolecimento devido ao engrossamento dos precipitados, a reversão da martensita durante o superenvelhecimento também leva a um decréscimo da microdureza (VISWANATHAM; DEY; SETHUMANDHAVAN, 2005; PARDAL et al., 2005, 2006).

Diversos mecanismos podem atuar no endurecimento devido ao cisalhamento de precipitados. No endurecimento ―químico‖ (chemical strengthening), o aumento de resistência ocorre devido à energia necessária para criar uma interface precipitado-matriz quando o precipitado é cisalhado pela discordância; enquanto endurecimento causado por falha de empilhamento (stacking-fault strengthening) é decorrente da diferença entre a energia de falha de empilhamento do precipitado e da matriz, quando eles tiverem estrutura cristalina cúbica de face centrada ou hexagonal compacta. O mecanismo de endurecimento devido ao módulo elástico é decorrente da diferença entre o módulo de elasticidade da matriz e o precipitado. Já o endurecimento por coerência (coherency strengthening) ocorre como um resultado das distorções elásticas ao redor de um precipitado que não se ajusta perfeitamente com a matriz. Por fim, o endurecimento por ordenamento (order strengthening) é devido ao trabalho requerido para criar um contorno de antifase no caso das discordâncias passando através dos precipitados que têm um ordenamento com a matriz (MARTIN, 1998; GLADMAN, 1999; GUO; SHA, 2002).

A tensão crítica de cisalhamento (CRSS) é a tensão necessária para cisalhar um precipitado, o que pode ocorrer mediante os mecanismos de ordenamento (equação 13) e de coerência (equação 14). A equação 13 mostra que o endurecimento por cisalhamento, decorrente do mecanismo de ordenamento, depende do raio r e da fração volumétrica do precipitado VV (MARTIN, 1998; GUO; SHA, 2002)5_.

(13)

Nos quais, , a tensão crítica de cisalhamento (CRSS); , energia do contorno de antifase; T1, tensão de linha da discordância; b, o módulo do vetor de Burgers; VV, fração volumétrica do precipitado.

5

A constante VV refere-se à constante f nos trabalhos de Martin (1998) e Guo e Sha (2002). A

simbologia foi alterada como o objetivo de padronizar o símbolo f para a fração transformada ao longo dessa tese.

Já a equação 14 evidencia que o endurecimento por cisalhamento devido ao mecanismo de coerência depende do raio r e da fração volumétrica do precipitado VV (MARTIN, 1998; GUO; SHA, 2002).

(14)

σos quais, ε, distorção da matriz; G, uma constante.

Em ambos os mecanismos, quando a fração volumétrica e o raio do precipitado crescem, também aumenta a tensão crítica de cisalhamento necessária para cortar o precipitado, o que está de acordo com o comportamento do primeiro estágio da curva de envelhecimento mostrada na figura 44 (MARTIN, 1998; GUO; SHA, 2002).

A figura 45 ilustra como ocorre o endurecimento por cisalhamento de precipitados quando uma discordância passa através deles (GLADMAN,1999).

Figura 45: Movimentação das discordâncias através do cisalhamento de precipitados (GLADMAN,1999).

A figura 46 mostra o endurecimento por precipitação incoerente pelo qual o endurecimento ocorre pela tensão de linha necessária para a formação de anéis de discordâncias por meio do mecanismo de Orowan (GLADMAN,1999).

Figura 46: Formação dos anéis de discordâncias pela passagem das discordâncias em precipitados incoerentes por meio do mecanismo de Orowan (GLADMAN,1999).

O mecanismo de endurecimento de Orowan ocorre de forma predominante no segundo estágio da curva de endurecimento apresentada na figura 44. A tensão crítica C para o mecanismo de Orowan é dada por (MARTIN,1998):

(15)

σas equações anteriores, é o módulo de cisalhamento da matriz e Λ é o espaçamento médio dos precipitados.

A partir da equação 15 pode-se concluir que o aumento do raio r diminui a tensão crítica C, o que elucida o comportamento do segundo estágio da curva de envelhecimento (GUO; SHA, 2002). Para precipitados mais grossos, torna-se mais difícil eles serem cisalhados pela passagem de discordâncias, pois os precipitados comportam-se como obstáculos impenetráveis (MARTIN, 1998).

Com base nos mecanismos de endurecimento expostos, Wilson (1997) propôs dois modelos para descrever os dois estágios do comportamento da curva de

envelhecimento. A partir da suposição do mecanismo de endurecimento, devido ao cisalhamento de precipitados por discordâncias no primeiro estágio da curva de envelhecimento, Wilson (1997) e Guo e Sha (2002) deduziram uma expressão que relaciona a microdureza com o tempo de envelhecimento, como mostrado na equação 16.

(16)

Nos quais, _{∆H é a variação da dureza com relação ao estado solubilizado, m} e k são constantes dependentes da temperatura. Na dedução da equação 16, Wilson (1997) e Guo e Sha (2002) utilizaram a equação JMAK e a relação parabólica de Zener para o crescimento dos precipitados. Vale ressaltar que Floreen e Decker (1962) também propuseram uma equação similar à equação 16 para a variação da dureza com o tempo de envelhecimento por meio do uso de uma abordagem empírica.

Pardal e coautores (2005) aplicaram a equação 16 aos dados experimentais de microdureza, como função d o tempo para um aço maraging 300 na região referente ao primeiro estágio da curva de envelhecimento, já mencionado na figura 44. Pode-se observar que o modelo se ajusta bem aos dados experimentais para amostras envelhecidas 440, 480, 510 e 560 °C, como apresentado na figura 47.

Figura 47: Ajuste do modelo da precipitação em estágios iniciais aos dados experimentais da curva de envelhecimento para um aço maraging 300 (PARDAL et al.,2005).

Além da equação do primeiro estágio, Wilson (1997) também propôs uma expressão para o amolecimento durante o superenvelhecimento em virtude da ocorrência do mecanismo de Orowan e da presença de precipitados mais grossos, descrita pela seguinte equação:

(17)

Nos quais, ΔH é a diferença entre a dureza da amostra envelhecida e a solubilizada, M é uma constante dependente da temperatura, tP é o tempo do pico de dureza e ΔH0 é a variação da dureza no tempo de início do engrossamento tP.

Pardal e coautores (2005) também aplicaram o modelo da equação 17 aos dados experimentais de microdureza para amostras superenvelhecidas em um aço maraging 300, como mostra a figura 48. Pode-se observar que o modelo se ajusta bem aos dados experimentais para amostras tratadas a 560 °C, porém o mesmo não ocorre com os dados para amostras envelhecidas a 600 °C.

Figura 48: Ajuste do modelo da curva de envelhecimento para o amolecimento devido ao engrossamento dos precipitados em um aço maraging 300 (PARDAL et al.,2005).

A menor aderência dos dados de dureza das amostras tratadas a 600 °C ao modelo de amolecimento proposto por Wilson (1996) levou Pardal et al. (2005) a

proporem um modelo empírico para descrever a mudança na dureza com o tempo de envelhecimento durante o superenvelhecimento:

(18)

No qual H é o valor de dureza, t é o tempo de envelhecimento, H1 é o valor de dureza em t = 1 h e p é uma constante exponencial. A Figura 49 mostra o ajuste do modelo de Pardal et al. (2005) aos resultados experimentais do aço maraging 300. Pode-se observar que o modelo empírico se ajusta bem ao comportamento dos dados experimentais.

Figura 49: Ajuste do modelo empírico de Pardal e coautores (2005) aos dados de microdureza Vickers em amostras superenvelhecidas em um aço maraging 300 (PARDAL et al.,2005).

Uma análise similar à apresentada nessa seção dos mecanismos de endurecimento na curva de envelhecimento foi realizada no aço maraging 350B, como apresentado na seção 4.3.3.2.