Estresses de Resfriamento no Aço: Formação Microestrutural e Impacto nas Propriedades

Definição e Conceito Fundamental

As tensões de resfriamento no aço referem-se a tensões residuais internas geradas durante o processo de resfriamento após tratamentos térmicos, como têmpera, recozimento ou trabalho a quente. Essas tensões surgem devido a gradientes de temperatura não uniformes e contração diferencial dentro da microestrutura à medida que o aço esfria de altas temperaturas para temperaturas ambiente.

No nível atômico e cristalográfico, as tensões de resfriamento originam-se da expansão e contração térmica anisotrópica de diferentes fases ou constituintes microestruturais. Variações nos parâmetros de rede, transformações de fase e heterogeneidade microestrutural causam deformações localizadas. Essas deformações, quando restringidas pelo material circundante ou características microestruturais, produzem tensões internas.

No contexto da metalurgia do aço e da ciência dos materiais, as tensões de resfriamento são significativas porque influenciam o desenvolvimento de características microestruturais, distribuições de tensões residuais e, em última análise, as propriedades mecânicas, como resistência, tenacidade e vida em fadiga. A compreensão e o controle adequados dessas tensões são essenciais para garantir a integridade estrutural e o desempenho dos componentes de aço.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

As tensões de resfriamento estão intimamente ligadas às características cristalográficas das microestruturas do aço. O aço consiste principalmente de ferrita cúbica de corpo centrado (BCC) (α-Fe) e austenita cúbica de face centrada (FCC) (γ-Fe), juntamente com vários carbonetos e outras fases de liga.

Durante o resfriamento, as transformações de fase envolvem mudanças na estrutura e nos parâmetros da rede. Por exemplo, a austenita (FCC) com parâmetro de rede de aproximadamente 0,36 nm se transforma em ferrita (BCC) com um parâmetro de rede diferente (~0,286 nm). Essas transformações envolvem mudanças de volume e distorções da rede, que induzem tensões internas.

As orientações cristalográficas também influenciam o desenvolvimento de tensões. Por exemplo, as relações de orientação entre as fases mãe e transformadas, como as relações de Kurdjumov–Sachs ou Nishiyama–Wassermann, determinam como as deformações são acomodadas no nível atômico. Os coeficientes de expansão térmica anisotrópicos ao longo de diferentes direções cristalográficas contribuem para a contração diferencial, levando a tensões localizadas.

Características Morfológicas

As características microestruturais associadas às tensões de resfriamento incluem limites de grão, interfaces de fase e heterogeneidades microestruturais, como inclusões ou precipitados. Essas características influenciam como as deformações internas são distribuídas e aliviadas.

O tamanho dos constituintes microestruturais varia amplamente — de carbonetos em escala nanométrica a grãos de tamanho micrométrico. Por exemplo, as lâminas martensíticas geralmente variam de 0,2 a 2 micrômetros de largura, com sua morfologia afetando a distribuição de tensões.

A forma e a distribuição são críticas; fases alongadas ou em forma de placa, como feixes bainíticos ou lâminas martensíticas, podem produzir campos de tensão anisotrópicos. Essas características frequentemente aparecem como zonas de contraste distintas sob microscopia, com tensões residuais se manifestando como distorções ou deslocações próximas às interfaces.

Propriedades Físicas

As tensões de resfriamento influenciam várias propriedades físicas do aço. As tensões residuais podem alterar ligeiramente a densidade devido a distorções da rede, embora o efeito seja mínimo. Elas também podem impactar a condutividade elétrica, à medida que as densidades de deslocação aumentam em regiões estressadas.

As propriedades magnéticas são afetadas porque as tensões internas influenciam as estruturas dos domínios magnéticos, especialmente em aços ferromagnéticos. A condutividade térmica pode ser afetada localmente devido à heterogeneidade microestrutural e a defeitos induzidos por tensões.

Comparado a microestruturas não estressadas, os aços com tensões de resfriamento significativas frequentemente exibem densidades de deslocação aumentadas, campos de deformação residual e distorções microestruturais, que podem ser detectadas por meio de várias técnicas de caracterização.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A origem termodinâmica das tensões de resfriamento reside nas diferenças de energia livre associadas a transformações de fase e contração térmica. À medida que o aço esfria, o sistema busca minimizar a energia livre transformando fases ou aliviando deformações.

As mudanças de volume durante as transformações de fase, como de austenita para martensita ou bainita, envolvem mudanças de energia livre volumétrica que geram deformações internas. Essas deformações são restringidas por fases vizinhas ou pela matriz circundante, levando a tensões residuais.

Os diagramas de fase, como o diagrama de fase Fe-C, ilustram as regiões de estabilidade de várias fases em diferentes temperaturas. A travessia de limites de fase durante o resfriamento desencadeia transformações que envolvem distorções da rede e mudanças de volume, contribuindo para o desenvolvimento de tensões internas.

Cinética de Formação

A cinética da formação de tensões de resfriamento depende das taxas de nucleação e crescimento das fases, bem como da taxa de mudança de temperatura. O resfriamento rápido, como a têmpera, suprime transformações de equilíbrio, levando a altas deformações internas devido ao desenvolvimento não uniforme de fases.

A nucleação de martensita ocorre quase instantaneamente ao atingir a temperatura de início da martensita (Ms), com o crescimento sendo impulsionado por transformações de cisalhamento. A rápida formação de martensita envolve uma distorção significativa da rede (~0,2% de expansão de volume), induzindo altas tensões residuais.

A cinética de crescimento é controlada por taxas de difusão, mobilidade de interface e gradientes de temperatura. O resfriamento lento permite o alívio de tensões por meio de deformação plástica ou ajustes de fase, enquanto o resfriamento rápido aprisiona tensões dentro da microestrutura.

Os passos que controlam a taxa incluem difusão atômica, movimento de deslocações e migração de limites de fase. As energias de ativação associadas a esses processos influenciam a magnitude e a distribuição das tensões de resfriamento.

Fatores Influentes

A composição da liga afeta significativamente o desenvolvimento de tensões de resfriamento. Elementos como carbono, manganês e adições de liga influenciam as temperaturas de transformação de fase e as magnitudes de mudança de volume.

Os parâmetros de processamento, como taxa de resfriamento, gradientes de temperatura e tempos de espera, são críticos. Por exemplo, a têmpera rápida a partir de altas temperaturas induz altos gradientes térmicos, aumentando as magnitudes de tensão.

Microestruturas pré-existentes, como o tamanho do grão de austenita anterior ou a deformação anterior, influenciam como as tensões se desenvolvem e são aliviadas. Microestruturas de grão fino tendem a distribuir tensões de forma mais uniforme, reduzindo concentrações localizadas.

Outros fatores incluem a presença de porosidade residual, inclusões e elementos de microaleação, que podem atuar como concentradores de tensão ou facilitar o alívio de tensões.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A magnitude das tensões residuais de resfriamento (σ) pode ser aproximada usando a teoria elástica:

$$\sigma = E \times \varepsilon $$

onde:

• $E$ é o módulo de elasticidade da fase ou microestrutura,

• ( (\varepsilon) ) é a deformação induzida pela contração térmica ou transformação de fase.

A deformação térmica ( \varepsilon_{th} ) devido à mudança de temperatura ( \Delta T ) é:

$$\varepsilon_{th} = \alpha \times \Delta T $$

onde:

• ( \alpha ) é o coeficiente de expansão térmica, que varia com a fase e a temperatura.

Quando as restrições impedem a contração livre, as tensões internas se desenvolvem como:

$$\sigma = E \times \alpha \times \Delta T $$

Para as deformações induz