Endurecimento Secundário: Mecanismo Chave para Aços Ferramenta de Alto Desempenho

Definição e Conceito Básico

A tempera secundária é um fenômeno metalúrgico no qual certos aços liga experimentam um segundo aumento na dureza durante a têmpera a temperaturas elevadas (tipicamente 500-600°C), após a têmpera inicial alcançada através do resfriamento. Esse processo ocorre principalmente em aços que contêm elementos formadores de carbonetos fortes, como cromo, molibdênio, vanádio e tungstênio.

O conceito básico envolve a precipitação de finos carbonetos de liga que substituem os carbonetos de transição e a cementita formados durante as etapas iniciais de têmpera. Esses carbonetos de liga fornecem obstáculos eficazes ao movimento de deslocamento, aumentando assim a resistência e dureza do material além do que normalmente seria esperado durante a têmpera convencional.

A tempera secundária representa um aspecto crítico da engenharia metalúrgica, particularmente no desenvolvimento de aços para ferramentas de alto desempenho e ligas resistentes ao calor. Ela demonstra a complexa interação entre composição, microestrutura e processamento térmico que define a metalurgia do aço moderno.

Natureza Física e Fundamento Teórico

Mecanismo Físico

No nível microestrutural, a tempera secundária resulta da precipitação de carbonetos de liga extremamente finos, coerentes ou semi-coerentes, dentro da matriz de martensita temperada. Esses carbonetos geralmente medem de 5 a 10 nanômetros de diâmetro e se formam quando elementos formadores de carbonetos fortes (V, Mo, Cr, W) se combinam com carbono a temperaturas elevadas específicas.

O processo começa com a dissolução de carbonetos épsilon e cementita (Fe₃C) que se formaram durante as etapas de têmpera anteriores. À medida que a têmpera continua a temperaturas mais altas, os elementos de liga, que estavam inicialmente em solução sólida supersaturada dentro da martensita, se difundem e se combinam com o carbono para formar carbonetos complexos do tipo MC, M₂C, M₇C₃ ou M₂₃C₆ (onde M representa os átomos de metal).

Esses precipitados em escala nanométrica criam tensões de coerência na matriz circundante e impedem efetivamente o movimento de deslocamento através de mecanismos de endurecimento por dispersão e endurecimento por precipitação, resultando no aumento característico da dureza.

Modelos Teóricos

O parâmetro de Hollomon-Jaffe (HJP) fornece a estrutura teórica primária para entender fenômenos de têmpera, incluindo a tempera secundária. Este parâmetro é expresso como:

$P = T(C + \log t)$

Onde T é a temperatura absoluta, t é o tempo em horas, e C é uma constante dependente do material (tipicamente 20 para aços).

A compreensão da tempera secundária evoluiu significativamente através do trabalho de Bain e Davenport na década de 1930, que documentaram pela primeira vez o fenômeno em aços de molibdênio. Mais tarde, a pesquisa de Geller na década de 1950 estabeleceu modelos abrangentes para sequências de precipitação de carbonetos.

Abordagens modernas incorporam modelagem termodinâmica usando ferramentas computacionais como CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) para prever a estabilidade de carbonetos e a cinética de precipitação. Esses modelos são complementados por teorias de nucleação e crescimento que descrevem a evolução do tamanho e distribuição de carbonetos durante a têmpera.

Base da Ciência dos Materiais

A tempera secundária está intimamente relacionada à estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT) da martensita, que se transforma em estrutura cúbica de corpo centrado (BCC) durante a têmpera. A rede distorcida da martensita fornece numerosos locais de nucleação para a precipitação de carbonetos.

O fenômeno depende fortemente das características da fronteira de grão, uma vez que essas interfaces servem como locais de nucleação preferenciais para carbonetos maiores. No entanto, a tempera secundária mais eficaz ocorre através da precipitação uniforme de finos carbonetos dentro da matriz, em vez de nas fronteiras de grão.

Os princípios da difusão em estado sólido governam o processo, com a difusão substitucional de elementos de liga sendo o passo limitante da taxa. A coerência entre os carbonetos precipitados e a matriz, a morfologia dos carbonetos e sua distribuição espacial determinam coletivamente a magnitude do efeito de endurecimento de acordo com o mecanismo de endurecimento de Orowan.

Expressão Matemática e Métodos de Cálculo

Fórmula de Definição Básica

O efeito da tempera secundária pode ser quantificado usando a equação diferencial de dureza:

$\Delta H = H_s - H_m$

Onde $\Delta H$ é o incremento de tempera secundária, $H_s$ é a dureza máxima alcançada durante a tempera secundária, e $H_m$ é a dureza mínima observada antes do início da tempera secundária.

Fórmulas de Cálculo Relacionadas

A cinética da tempera secundária segue a equação de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK):

$f = 1 - \exp(-kt^n)$

Onde $f$ é a fração transformada, $k$ é a constante de taxa dependente da temperatura, $t$ é o tempo, e $n$ é o expoente de Avrami que reflete os mecanismos de nucleação e crescimento.

A contribuição do endurecimento por precipitação pode ser estimada usando a equação de Orowan:

$\Delta\tau = \frac{Gb}{L}$

Onde $\Delta\tau$ é o aumento na resistência ao escoamento, $G$ é o módulo de cisalhamento, $b$ é o vetor de Burgers, e $L$ é o espaçamento médio entre os precipitados.

Essas fórmulas são aplicadas para prever a evolução da dureza durante ciclos de têmpera e para otimizar parâmetros de tratamento térmico para composições de liga específicas.

Condições Aplicáveis e Limitações

Esses modelos matemáticos são válidos principalmente para aços que contêm quantidades suficientes de elementos formadores de carbonetos fortes (tipicamente >0,5% em peso combinado). As fórmulas assumem distribuição uniforme de elementos de liga e carbono na estrutura martensítica inicial.

Os modelos têm limitações de temperatura, geralmente aplicáveis entre 500-650°C, pois diferentes mecanismos de formação de carbonetos dominam fora dessa faixa. A temperaturas mais altas, o rápido crescimento dos carbonetos leva ao amolecimento que sobrepuja o efeito de endurecimento.

Essas fórmulas assumem condições de têmpera isotérmica e podem exigir modificação para cenários de aquecimento ou resfriamento contínuos. Além disso, não levam em conta os efeitos do tamanho dos grãos de austenita anterior ou a transformação da austenita retida durante a têmpera.

Métodos de Medição e Caracterização

Especificações de Teste Padrão

• ASTM E18: Métodos de Teste Padrão para Dureza Rockwell de Materiais Metálicos
• ASTM E92: Métodos de Teste Padrão para Dureza Vickers de Materiais Metálicos
• ASTM E384: Método de Teste Padrão para Dureza por Microindentação de Materiais
• ISO 6508: Materiais metálicos - teste de dureza Rockwell
• ISO 6507: Materiais metálicos - teste de dureza Vickers

ASTM E18 e ISO 6508 cobrem métodos de teste de macro-dureza adequados para medições de dureza em massa. ASTM E92, E384 e ISO 6507 abordam testes de micro-dureza apropriados para medições localizadas e espécimes finos.

Equipamentos e Princípios de Teste

Os medidores de dureza Rockwell (tipicamente usando a escala C) são comumente empregados para medir os efeitos da tempera secundária em aços para ferramentas. Esses instrumentos aplicam uma carga predeterminada através de um penetrador de cone de diamante e medem a profundidade de penetração.

Os medidores de microdureza Vickers e Knoop utilizam penetradores de pirâmide de diamante para criar indentação microscópica sob cargas precisamente controladas. As diagonais da indentação resultante são medidas opticamente para calcular os valores de dureza.

A caracterização avançada emprega microscopia eletrônica de transmissão (