Perlita

A perlita é uma mistura específica de duas fases, formada pela transformação da austenita, de composição eutetóide, em ferrita e cementita (VAN VLACK, 1970). Forma-se nos resfriamentos relativamente lentos, pois é uma reação que depende principalmente da difusão e tem microestrutura de composição, também, eutetóide.

É composta de camadas alternadas de ferrita e cementita, e as espessuras dessas camadas variam em função da temperatura de transformação; temperaturas mais altas formam perlita grosseira, com espessuras maiores; temperaturas mais baixas formam perlita fina, com espessuras menores (CALLISTER, 2000).

2.4.4 Martensita

É uma fase metaestável de corpo centrado, formada por ferro supersaturado com carbono; é formada por uma transformação sem difusão (VAN VLACK, 1970).

Ocorre quando a velocidade de resfriamento é grande e não permite transformações que dependem de difusão.

Ela pode se formar, também, pela transformação, na temperatura ambiente da austenita retida por deformação plástica (BERRAHMOUNE et al., 2004).

É a microestrutura do aço que apresenta maior dureza. A austenita, que tem uma estrutura cúbica de face centrada, experimenta uma transformação polimórfica em

martensita tetragonal de corpo centrado. Uma vez que a transformação martensítica não envolve difusão, ela ocorre quase instantaneamente.

Na formação da estrutura martensítica há sempre uma expansão volumétrica, que é explicada pelo fato que o volume específico da martensita é maior que as outras microestruturas. A expansão volumétrica do metal aumenta com o aumento do conteúdo de carbono (ZAKHAROV, 1962)

2.4.5 Austenita

É a microestrutura do aço com sistema cristalino CFC (cúbico de face centrada). Possui maior capacidade de dissolver carbono do que a ferrita que tem estrutura CCC (cúbica de corpo centrado), por possuir espaços interatômicos maiores (VAN VLACK, 1970).

É estável em temperaturas acima de AC3. Conforme a condição de resfriamento,

sofre diferentes transformações, dando origem às várias estruturas que o aço apresenta à temperatura ambiente.

Dependendo então das condições de resfriamento, ela se transforma em: ferrita, cementita, perlita, bainita, martensita ou mesmo chega à temperatura ambiente sem se transformar.

Na formação da bainita, o carbono por difusão, deixa da ferrita bainítica super- saturada e passa para a austenita circundante, que, em seguida, passa a limitar a máxima transformação da reação bainítica. A transformação torna-se termodinamicamente impossível (KUTSOV et al., 1999). O enriquecimento da austenita pelo carbono é o resultado da supressão da formação de carbonetos, durante a transformação bainítica, devido à presença de elementos de liga como silício e alumínio (BERRAHMOUNE et al., 2004). Dessa forma, essa austenita saturada de carbono vai se estabilizando, deixando de se decompor e permanece entremeando as ripas de ferrita bainítica e gradativamente desacelerando a reação bainítica.

A estabilidade alcançada pela austenita faz com que ela atinja a temperatura ambiente sem se decompor, passando ser chamada de austenita retida.

Essa austenita, metaestável é responsável pelo efeito TRIP. Assim, a fração volumétrica, a distribuição das várias fases, e, especialmente, a estabilidade da austenita retida são de grande importância para as propriedades mecânicas dos aços TRIP (WANG et al., 2006).

2.4.6 Bainita

Sempre que a austenita se transforma em temperatura constante, acima da temperatura Mi e abaixo da temperatura de formação da perlita fina, aparece um

produto de transformação denominado bainita, de aparência acicular (GROSSMAN; BAIN, 1972).

Assim como a perlita, a martensita e outros microconstituintes, a bainita se origina da transformação da austenita. Por aquecimento, os microconstituintes do aço são transformados em austenita. O aquecimento, sendo suficiente para atingir temperatura acima da temperatura crítica inferior (AC1), inicia a transformação de

alguns constituintes em austenita. Ultrapassando a temperatura critica superior, delimitada pelas linhas AC3 e Acm, então, todos os microconstituintes são transformados

em austenita, que possui estrutura cúbica de face centrada.

As condições de resfriamento é que vão determinar as microestruturas obtidas no final do processo.

Resfriamentos muito rápidos que não interceptem as curvas C, dos gráficos TTT produzem microestruturas martensíticas. Resfriamentos muito lentos que cruzam os limites da curva C resultam em maiores quantidades de perlita, dependendo da quantidade de carbono na liga, circundada por ferrita ou cementita.

Pode ser obtida por austêmpera convencional, onde o aço é aquecido até uma temperatura suficientemente alta, para permitir a dissolução de todos carbonetos na microestrutura, seguido de resfriamento rápido, em banho de sal ou de chumbo, e mantido a uma temperatura acima de Mi. A temperatura exata do banho depende das

propriedades finais que se deseja obter. A razão de resfriamento da temperatura de austenitização para temperatura do banho deverá ser suficientemente rápida para evitar qualquer transformação de austenita em ferrita ou perlita antes da imersão no banho. O

aço é então mantido isotermicamente no banho por tempo suficiente para a transformação da austenita em bainita, depois resfriado lentamente até a temperatura ambiente (SAXENA et al., 2006).

A bainita é uma das mais complexas microestruturas do aço, havendo ainda muita discussão sobre sua formação e constituição (HEHEMANN; KINSMAN; AARONSON, 1972).

A bainita pode conter carbono dentro de um amplo intervalo de composições (GROSSMAN; BAIN, 1972).

Similarmente à perlita, a bainita é uma mistura das fases ferrita e cementita e, por isso, dependente da partição, controlada pela difusão do carbono entre a ferrita e a cementita. Porém, diferentemente da perlita, a ferrita e a cementita estão presentes em arranjos não-lamelares cujas características são dependentes da composição da liga e da temperatura de transformação. Similarmente à martensita, a ferrita bainítica pode ser em forma de ripas ou placas, contendo estrutura com discordâncias, e, até certo ponto, por isso, o mecanismo de formação da bainita envolve tanto cisalhamento como difusão (KRAUSS, 1995).

Basicamente, é formada por estruturas, longas e finas, de ferrita, chamada ferrita bainítica, também denominada ripa; que se agregam formando feixes. São compostas ainda de austenita e, algumas vezes, por várias formas de carbonetos (ZAEFFERER; OHLERT; BLECK, 2004). Em cada um dos feixes, as ripas são paralelas e possuem orientação cristalográfica idêntica. Essas ripas individualmente são chamadas subunidades. Em trabalhos mais recentes, FANG et al., (2002) identificou que as subunidades não são definitivamente as menores unidades da estrutura e são compostas de sub-subunidades, compondo uma estrutura ultrafina.

Essa morfologia muda progressivamente com a temperatura de transformação, de forma que o tamanho das partículas e a acicularidade da estrutura aumentam enquanto a temperatura diminui.

Dependendo da temperatura de transformação, a bainita apresenta características morfológicas distintas, por isso é classificada em vários tipos. Inicialmente dois tipos de bainita foram descritos: a bainita superior, obtida na faixa logo abaixo do cotovelo da curva, acima do qual se obtém a perlita, e a bainita inferior,

obtida na faixa de temperatura que vai abaixo da temperatura em que se obtém a bainita superior até o início da formação da martensita Mi.

2.4.6.1 Bainita superior

A bainita que se forma entre aproximadamente 350º e 550º C é chamada de bainita superior. A microestrutura da bainita superior consiste de ripas finas de ferrita com espessura de aproximadamente 0,2 µm e comprimento de 10 µm, cujo aspecto pode ser visto na Figura 3. Estas ripas crescem de forma agrupadas, com aparência de pena (KUTSOV et al., 1999). Em cada feixe, as ripas são dispostas de forma paralela e possuem orientações cristalográficas bem-definidas. As ripas são individualmente chamadas de subunidades da bainita, e são separadas normalmente por contornos com pequenos desvios da orientação cristalográfica ou por partículas de cementita. A ferrita e a cementita nucleiam independentemente, e o que controla o crescimento da bainita superior é a difusão do carbono na austenita. Os crescimentos da ferrita e da cementita são cooperativos, isto é, a ferrita expulsa o carbono que é absorvido pela cementita. A formação da bainita superior envolve estágios distintos, iniciando com a nucleação das ripas de ferrita nos contornos de grão da austenita. O crescimento das ripas é acompanhado por mudança de forma da região transformada. A mudança pode ser descrita como um plano invariante de deformação com componente de cisalhamento, semelhante à observada durante a transformação martensítica. O crescimento da bainita ocorre em temperaturas relativamente altas, quando comparada com a martensita. Assim, as tensões provocadas pela mudança de forma não são suportadas pela austenita, que tem a sua resistência diminuída nesta faixa de temperatura. As tensões induzidas pela deformação são, então, relaxadas pela deformação plástica dos grãos de austenita adjacentes. Nesta região, há aumento na densidade de discordâncias causado pela deformação plástica da austenita, devido aos movimentos das interfaces (BHADESHIA, 1992).

Figura 3 – Micrografia através de microscópio eletrônico de transmissão da bainita superior de uma liga Fe- 0,43C-2Si-3Mn em peso. (a) Micrografia óptica. (b, c) Austenita retida entre sub-unidades vista por campo claro e correspondente por campo escuro. (d) Montagem mostrando a estrutura do feixe (BHADESHIA, 1992).

Esta deformação plástica, localizada, impede o crescimento das ripas de ferrita e, deste modo, cada subunidade atinge um tamanho limite, que é muito menor que o tamanho de grão da austenita. Assim, como ocorre na martensita, a mudança de forma ocorre porque o mecanismo de crescimento da ferrita bainítica é displacivo, isto é, ocorre por um movimento coordenado de átomos, na qual a estrutura inicial é deformada, sem difusão, provocando o crescimento da bainita na forma de ripas finas (BHADESHIA, 1992).

A bainita superior se forma inicialmente com a formação da ferrita bainítica, na qual o carbono possui pequena solubilidade (<0,02% em peso). No entanto, o crescimento da ferrita enriquece a austenita com carbono. Como conseqüência, ocorre a precipitação de cementita entre as subunidades, procedente da austenita residual saturada. A quantidade de cementita precipitada depende da concentração de carbono da liga; quando o teor de carbono é baixo, a quantidade de cementita que se forma é

pequena; quando o teor de carbono é alto, há a formação de microestrutura de ripas de ferrita separadas por camadas contínuas de cementita.

Elementos de liga como alumínio e silício são retardadores da formação de carbonetos, provocando o enriquecimento de carbono na austenita; isso permite a estabilização e retenção da austenita com a manutenção, num tempo relativamente pequeno, na temperatura de transformação bainítica (GIRAULT et al., 2001).

2.4.6.2 Bainita inferior

A transformação isotérmica que ocorre entre aproximadamente 250º e 350º C produz a bainita inferior. A bainita inferior possui microestrutura e características cristalográficas similares às apresentadas pela bainita superior, com aparência de placas (KUTSOV et al., 1999). A maior diferença está na precipitação da cementita no interior das ripas de ferrita, e estas ripas são muito mais longas do que as da bainita superior.

Existem dois tipos de precipitados de cementita: os que crescem a partir da austenita, enriquecida em carbono, e que aparecem separando as plaquetas da ferrita bainítica, e os que se precipitam a partir da ferrita saturada, em seu interior. Não necessariamente só cementita se precipita no interior da ferrita. Dependendo da composição química e da temperatura de transformação, outros tipos de carbonetos de transição podem se formar. Por exemplo, em aços com alto teor de carbono e contendo mais que 1% de silício (que retarda a formação da cementita), pode-se observar a precipitação de carbonetos épsilon, com estrutura hexagonal compacta.

Em contraste com a martensita revenida, as partículas de cementita, na bainita inferior, freqüentemente se precipitam com apenas uma relação de orientação cristalográfica. Elas formam agulhas dispostas paralelamente, formando ângulo de aproximadamente 55º com o eixo da ripa da ferrita bainítica, conforme pode ser visto na Figura 4 (BHADESHIA, 1992).

Figura 4 – (a-c) Fe-0,3 carbono - 4,08 cromo em peso; (a) bainita obtida por transformação isotérmica por um período de tempo pequeno (435º C, 10 min), mostra partículas de cementita dentro das plaquetas, mas não entre as plaquetas. (b) Imagem correspondente obtida por campo escuro mostrando filmes de austenita entre as plaquetas de ferrita bainítica. (c) A mesma amostra após prolongado tratamento térmico (435º C, 30 min), na temperatura de transformação isotérmica, causando a precipitação de carbonetos entre as plaquetas de ferrita. (d) Precipitação multivariável de carbonetos, típica de uma têmpera martensítica (415º C, 50 min, AISI 4340) (BHADESHIA, 1992).

Os carbonetos na bainita inferior são extremamente finos, com espessura da ordem de nanometro e comprimento da ordem de 500 nm. Uma vez que eles se precipitam no interior da ferrita, uma pequena quantidade é partilhada com a austenita residual. Isto significa que um número pequeno de carbonetos finos se precipita entre as ripas de ferrita, quando comparado com a bainita superior. Uma conseqüência importante desse fato é que a bainita inferior usualmente apresenta maior tenacidade que a bainita superior, apesar de possuir maior resistência mecânica.

Outras morfologias da bainita citadas na literatura são: bainita granular, bainita invertida, bainita colunar e bainita inferior de contorno de grão.

2.4.6.3 Bainita granular

A bainita granular é uma microestrutura composta de feixes de ferrita bainítica com regiões muito finas de austenita entre as subunidades, que, através de microscópio óptico aparentam placas grossas com aspecto inteiramente granular, e ilhas de austenita retida e martensita, obtida por resfriamento contínuo de aços baixo carbono. Como muitos tratamentos térmicos industriais são feitos por resfriamento contínuo, esta terminologia se tornou muito popular. Não se consegue obter esta estrutura por tratamentos isotérmicos. Uma característica da bainita granular é a ausência de carbonetos na microestrutura; em seu lugar, o carbono, que é separado da ferrita bainítica, estabiliza a austenita residual de forma que a microestrutura final contém tanto austenita retida quanto martensita com alto teor de carbono (BHADESHIA, 1992).

2.4.6.4 Bainita invertida.

Diferentemente da bainita convencional em que a fase dominante é a ferrita e as precipitações de carbonetos ocorrem como eventos secundários, a bainita invertida, que ocorre em aços hipereutetóides apresenta a cementita como a primeira fase a se formar, consistindo de uma estrutura central como suporte que cresce diretamente da austenita e que depois se torna envolvida por uma camada de ferrita (BHADESHIA, 1992).

2.4.6.5 Bainita colunar.

É um agregado não-lamelar de cementita e ferrita de formato ligeiramente alongado e irregular. A distribuição das partículas de cementita dentro da colônia é um tanto particular; a maioria das partículas com forma da agulhas são alinhadas com o

eixo longitudinal da colônia; esta região é envolvida por uma camada de diferentes microestruturas, na qual partículas relativamente grosseiras de cementita juntam-se na interface austenita /ferrita (BHADESHIA, 1992).

2.4.6.6 Bainita inferior de contorno de grão.

A nucleação da bainita, na maioria dos aços, ocorre heterogeneamente nos contornos de grão da austenita. Num resfriamento muito alto acima da temperatura Mi

a taxa de nucleação da bainita inferior pode ser tão grande que grandes segmentos, da superfície do grão, tornam-se quase que inteiramente decorados por subunidades de bainita inferior. Nestas temperaturas, a taxa de separação do carbono da ferrita supersaturada é também muito baixa, de forma que as subunidades estão possibilitadas de se estruturarem organizadamente sem nenhuma austenita entremeada. (BHADESHIA, 1992).

2.5 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NA FORMAÇÃO DO MICROCONSTITUINTE BAINITICO

Os elementos de liga influem grandemente nas temperaturas de transformação. Estas influências são representadas pelas alterações nas curvas de transformação isotérmicas e curvas de transformação por resfriamento contínuo. Assim, cada aço tem suas curvas específicas que também são influenciadas pelos tamanhos de grãos.

O mais simples estudo dos efeitos dos diversos elementos de liga, nos aços, exigiria análise de um vasto número de diagramas ternários, cobrindo uma larga faixa de temperatura. Porém, Wever2 (apud HONEYCOMBE, 1985) sugeriu que sistemas binários de ferro em equilíbrio se enquadram em quatro categorias principais: sistemas de campo γ abertos e fechados, e sistemas de campo de γ expandido e contraídos, conforme esquematizado na Figura 5. Esta abordagem sugere que elementos de liga podem influenciar o diagrama de equilíbrio de dois modos:

2

• Expandindo o campo γ e estimulando a formação de austenita, dentro de larga faixa de composição. Estes elementos são chamados estabilizadores da

austenita.

• Contraindo o campo γ e estimulando a formação de ferrita α, dentro de larga faixa de composição. Estes elementos são chamados estabilizadores da ferrita.

A forma do diagrama depende dos elementos de liga.

Figura 5 – Classes de diagramas de fase binários de aço (HONEYCOMBE, 1985).

Classe 1 : abrem o campo da austenita – a esse grupo pertencem os importantes

elementos de liga, níquel e manganês, como também o cobalto e os metais inertes rutênio, paládio, ósmio, irídio e platina. Tanto o níquel como o manganês, se adicionados em concentração suficientemente alta, eliminam completamente a fase alfa, ccc do ferro, e a substituem até a temperatura ambiente, pela austenita, fase γ. Deste modo, níquel e manganês trazem a transformação de fase γ Æ α para temperaturas menores, Figura 5, isto é, tanto a temperatura de AC1 quanto de AC3 são

região γ até a temperatura ambiente. Portanto, o níquel e o manganês são importantes na obtenção de aços austeníticos.

Classe 2 : expandem o campo da austenita - o carbono e o nitrogênio são os mais

importantes elementos desse grupo. O campo da fase γ é expandido mas é limitado pela formação de compostos, Figura 5. O cobre, o zinco, e o ouro têm efeitos semelhantes. A expansão do campo da austenita pelo carbono e pelo nitrogênio é fundamental para todos os tratamentos térmicos dos aços por permitir a formação da uma solução sólida homogênea de austenita, contendo até 2% em peso de carbono e 2,8% em peso de nitrogênio.

Classe 3 : fecham o campo da austenita – muitos elementos dificultam a formação da

austenita, causando a contração do campo γ, em uma pequena área, que é designada por ilha gama, Figura 5. Isto significa que esses elementos promovem a formação do ferro α, o que faz com que os domínios da fase α e da fase δ se tornem contínuos. As ligas em que isso acontece, por essa razão, não são susceptíveis de tratamentos térmicos normais, envolvendo resfriamento através da transformação de fases γ Æ α. Silício, alumínio, berílio e fósforo pertencem a esta categoria, em conjunto com elemento fortemente formadores de carbonetos como titânio, vanádio, molibdênio e cromo.

Classe 4 : contraem o campo da austenita – o boro é o elemento mais importante

desse grupo, juntamente, com o tântalo, nióbio, zircônio, todos eles formadores de carbonetos. Contraem fortemente o campo γ, Figura 5.

Embora estas análises se apliquem a sistemas binários, Fe + elemento-liga, quando o carbono é adicionado, formando sistemas ternários, normalmente continuam válidas. Para um determinado teor fixo de carbono, a medida que um elemento de liga é adicionado, o campo austenítico se altera. Normalmente os elementos com tendências opostas cancelam-se, uns com outros, nas combinações apropriadas, mas existem algumas exceções (HONEYCOMBE, 1985).

Todos os elementos de liga, exceto o cobalto, retardam a formação da ferrita e da cementita, sendo muito difícil formular qualquer regra geral a respeito da influência exercida pelos vários elementos de liga. Todavia, foi definitivamente descoberto que certos elementos afetam a transformação bainítica mais do que a transformação perlítica, enquanto outros elementos atuam de forma oposta (HONEYCOMBE, 1985). Certos elementos irão, paradoxalmente, acelerar as transformações se suas concentrações aumentarem além de certos valores limites, sendo esse limite afetado por outros elementos de liga presentes.

O carbono tem um grande efeito na determinação da faixa de temperatura em que ocorrem as formações da bainita superior e da bainita inferior. A temperatura BS

(temperatura início da formação da bainita) é abaixada por alguns elementos de liga, mas, o carbono exerce o maior efeito, como indicado pela equação empírica:

BS (°C) = 830-270 C – 90 Mn - 37 Ni - 70 Cr - 83 Mo (LEE, 2002)

(onde as concentrações são em peso).

O carbono tem maior solubilidade na austenita que na ferrita e tem um grande potencial para estabilizar a austenita, o que leva ao atraso da cinética da reação. Constatou-se, também, que o aumento do teor de carbono torna a formação da bainita inferior mais fácil, porque torna mais difícil, para as ripas de ferrita bainítica supersaturadas, sofrerem descarbonetação antes da precipitação da cementita (BHADESHIA, 1992).

Em aços ao carbono, a reação bainítica é cinéticamente deslocada pelas reações ferrítica e perlítica, as quais iniciam a formação em altas temperaturas e em tempos curtos. Assim, em resfriamentos contínuos, é difícil obter estruturas bainíticas.

Em transformação isotérmica, a dificuldade é maior se a reação ferrítica for rápida.

A adição de elementos de liga, normalmente, retarda a reação ferrítica e perlítica, e a reação bainítica é deslocada para temperaturas menores. Estes efeitos causam uma grande separação na reação e na curva TTT, e, para grande número de aços, as curvas C da reação bainítica e da reação perlítica apresentam-se claramente

separadas. No entanto, é muito difícil obter a microestrutura completamente bainítica, devido à proximidade das reações bainíticas e martensíticas.

Uma separação significativa da reação bainítica em aços de baixo carbono pode ser obtida pela adição de aproximadamente 0,002% de boro e 0,5% de molibdênio. Enquanto o molibdênio induz a reação bainítica, o boro retarda significantemente a reação ferrítica, provavelmente pela segregação preferencial em contornos de grãos. Isto permite que a reação bainítica ocorra em tempos menores. Simultaneamente, a curva bainítica é fortemente afetada pela adição de boro e, em conseqüência, não ocorre a formação da martensita. Deste modo, para estes aços em uma grande faixa de