Diagrama de Transformação Isotérmica (IT): Evolução da Microestrutura e Propriedades do Aço

Definição e Conceito Fundamental

Um Diagrama de Transformação Isotérmica (IT) é uma representação gráfica que ilustra o comportamento de transformação da austenita em várias microestruturas dentro do aço quando mantido a temperaturas constantes abaixo da temperatura crítica (linha A₁). Ele retrata a relação entre tempo e temperatura para transformações de fase, mostrando especificamente a formação de fases como perlita, bainita e martensita durante o resfriamento isotérmico.

Fundamentalmente, o diagrama IT está enraizado nos princípios da termodinâmica e cinética da transformação de fase em nível atômico. Ele reflete as rearrumações atômicas e os processos de nucleação e crescimento de novas fases a partir da fase austenita parental, que é uma estrutura cúbica de face centrada (FCC). O diagrama captura a evolução dependente do tempo das microestruturas impulsionadas por diferenças na energia livre, mobilidade atômica e estabilidade de fase.

Na metalurgia do aço, o diagrama IT é crucial para entender e controlar o desenvolvimento microestrutural durante o tratamento térmico. Ele fornece insights sobre a cinética das transformações de fase, permitindo que engenheiros ajustem propriedades mecânicas como dureza, tenacidade e ductilidade ao selecionar condições de transformação apropriadas.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

As microestruturas representadas no diagrama IT são caracterizadas por arranjos cristalográficos distintos. A austenita (γ-Fe) possui uma estrutura cristalina FCC com um parâmetro de rede de aproximadamente 0,36 nm, permitindo alta mobilidade atômica e difusão de solutos. Durante a transformação, as fases formadas—perlita, bainita ou martensita—possuem diferentes estruturas cristalinas:

• Perlita: Uma mistura lamelar de ferrita (α-Fe, estrutura BCC) e cementita (Fe₃C, ortorrômbica), formando através de processos de difusão cooperativa.
• Bainita: Uma microestrutura fina e acicular composta de ferrita e cementita, com uma microestrutura que pode ser vista como uma mistura de feixes ou placas com orientações cristalográficas específicas.
• Martensita: Uma fase tetragonal de corpo centrado supersaturada (BCT) formada por transformação de cisalhamento sem difusão, caracterizada por uma rede distorcida em relação à austenita.

A transformação envolve relações de orientação, como as relações de Kurdjumov–Sachs ou Nishiyama–Wassermann, que descrevem o alinhamento cristalográfico entre as fases parental e produto. Essas relações influenciam a morfologia e as propriedades da microestrutura resultante.

Características Morfológicas

As microestruturas retratadas no diagrama IT exibem morfologias características:

• Perlita: Lamelas alternadas de ferrita e cementita, com espaçamento interlamelar tipicamente variando de 0,1 a 1 μm, dependendo da taxa de resfriamento e composição.
• Bainita: Placas em forma de agulha ou aciculares, frequentemente de 0,2 a 2 μm de comprimento, formando uma disposição em feixe. A morfologia varia com a temperatura e elementos de liga.
• Martensita: Microestruturas em forma de placa ou lâmina, com tamanhos de algumas centenas de nanômetros a alguns micrômetros, exibindo altas densidades de discordâncias e tensões internas.

Essas microestruturas são visíveis sob microscopia óptica ou eletrônica, com a perlita aparecendo como bandas alternadas escuras e claras, a bainita como estruturas aciculares finas, e a martensita como características em forma de agulha com alto contraste.

Propriedades Físicas

As propriedades físicas associadas a essas microestruturas diferem significativamente:

• Densidade: A martensita tem uma densidade ligeiramente maior (~7,8 g/cm³) do que a ferrita (~7,87 g/cm³), devido à distorção da rede e tensões internas.
• Condutividade Elétrica: A martensita exibe menor condutividade elétrica devido à alta densidade de discordâncias e supersaturação de carbono.
• Propriedades Magnéticas: A ferrita e a perlita são ferromagnéticas, enquanto o comportamento magnético da martensita depende do teor de carbono e das tensões internas.
• Condutividade Térmica: A martensita geralmente tem maior condutividade térmica em comparação com a perlita e a bainita devido à sua estrutura de defeitos.

Essas propriedades influenciam o desempenho do aço em aplicações como componentes estruturais, ferramentas e peças resistentes ao desgaste.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A formação de microestruturas no diagrama IT é governada por princípios termodinâmicos. A força motriz para a transformação é a diferença na energia livre de Gibbs (ΔG) entre a fase austenita parental e a fase produto. A uma temperatura dada abaixo de A₁, a energia livre da nova fase torna-se termodinamicamente favorável.

A estabilidade de fase é ditada pelo diagrama de fases, que mostra as relações de equilíbrio entre fases em várias temperaturas e composições. Por exemplo, em temperaturas entre as temperaturas de início da perlita e da bainita, a diferença de energia livre favorece a nucleação de perlita ou bainita, dependendo da cinética.

A mudança de energia livre (ΔG) pode ser expressa como:

ΔG = ΔG° + RT ln C

onde ΔG° é a diferença de energia livre padrão, R é a constante universal dos gases, T é a temperatura e C é a concentração de solutos.

Cinética de Formação

A cinética da transformação é controlada por processos de nucleação e crescimento:

• Nucleação: A formação de núcleos estáveis da nova fase requer superar uma barreira de energia associada à criação de novas interfaces. A taxa de nucleação depende da temperatura, supersaturação e da presença de heterogeneidades.
• Crescimento: Uma vez que os núcleos se formam, os átomos se difundem para a interface, permitindo que a fase cresça. A taxa de crescimento é controlada por difusão e diminui com a diminuição da temperatura.

A equação de Johnson–Mehl–Avrami descreve a fração de transformação (X) ao longo do tempo (t):

X(t) = 1 – exp(–k tⁿ)

onde k é uma constante de taxa dependente da temperatura, e n é o expoente de Avrami relacionado aos mecanismos de nucleação e crescimento.

A energia de ativação (Q) influencia a constante de taxa k, com valores de Q mais altos indicando transformações mais lentas a uma temperatura dada.

Fatores Influentes

Vários fatores influenciam a formação e a cinética das microestruturas:

• Elementos de Liga: Elementos como Mn, Si, Cr e Ni modificam a estabilidade de fase e as taxas de difusão, afetando as temperaturas de início e fim.
• Microestrutura Anterior: O tamanho inicial dos grãos, a densidade de discordâncias e as fases existentes influenciam os locais de nucleação e os caminhos de transformação.
• Parâmetros de Processamento: A taxa de resfriamento, o tempo de espera e a temperatura controlam a extensão e o tipo de microestrutura formada.
• Composição Química: O teor de carbono afeta principalmente a formação de martensita e bainita, com maior teor de carbono favorecendo a transformação martensítica.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A cinética da transformação é frequentemente modelada usando a equação de Johnson–Mehl–Avrami:

X(t) = 1 – exp(–k tⁿ)

onde:

• X(t): Fração da microestrutura transformada no tempo t
• k: Constante de taxa, dependente da temperatura, expressa como:

k = k₀ exp(–Q / RT)

• n: