Estrutura Esferoidizada no Aço: Microestrutura, Formação e Melhoria de Propriedades

Definição e Conceito Fundamental

Uma estrutura esferoidizada em aço refere-se a um estado microestrutural caracterizado pela presença de partículas de cementita (Fe₃C) que são globulares, arredondadas ou em forma de esferoide, uniformemente dispersas dentro de uma matriz ferrítica. Essa microestrutura é intencionalmente produzida através de processos específicos de tratamento térmico para otimizar as propriedades do aço, especialmente a usinabilidade e a ductilidade.

No nível atômico e cristalográfico, a estrutura esferoidizada resulta da transformação de lamelas de cementita e lamelas de ferrita em partículas discretas de cementita em forma de esferoide embutidas dentro de uma matriz de ferrita. Esse processo envolve a difusão de átomos de carbono e o rearranjo das fronteiras de fase, levando à minimização da energia interfacial e a uma microestrutura estável em condições de temperatura e tempo dadas.

Na metalurgia do aço, a estrutura esferoidizada é significativa porque melhora a usinabilidade, reduz tensões internas e melhora a ductilidade sem comprometer severamente a resistência. Ela serve como um estado microestrutural fundamental no tratamento térmico de aços de carbono médio e alto, facilitando etapas de processamento subsequentes, como usinagem, trabalho a frio ou tratamentos térmicos adicionais.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

As partículas de cementita esferoidizada são fases cristalinas de Fe₃C com um sistema cristalino ortorrômbico. Os parâmetros de rede são aproximadamente a = 6,74 Å, b = 4,52 Å e c = 4,45 Å, consistentes com a estrutura ortorrômbica padrão da cementita.

Essas partículas de cementita estão embutidas de forma coerente ou semi-coerente dentro da fase de ferrita (α-Fe), que possui uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC) com um parâmetro de rede de aproximadamente 2,86 Å. A interface entre a cementita e a ferrita pode ser semi-coerente, com deslocalizações de desajuste acomodando discrepâncias na rede.

As relações de orientação cristalográfica frequentemente observadas incluem as relações de Bagaryatski ou Isaichev, que descrevem alinhamentos específicos entre as redes de cementita e ferrita, facilitando a nucleação e o crescimento de partículas de cementita esferoidizada durante o tratamento térmico.

Características Morfológicas

Morfologicamente, a cementita esferoidizada aparece como partículas arredondadas e globulares com um intervalo de tamanho típico de 0,5 a 3 micrômetros, embora os tamanhos possam variar dependendo das condições de processamento. Essas partículas estão uniformemente dispersas dentro da matriz ferrítica, formando uma distribuição fina e estável que minimiza tensões internas.

A forma das partículas de cementita transita de formas lamelares ou alongadas em estruturas perlíticas para esféricas ou quase esféricas em aços esferoidizados. Sob microscopia óptica, a cementita esferoidizada se manifesta como inclusões brilhantes e arredondadas dentro de um fundo ferrítico mais escuro, com um perfil de superfície suave e convexo.

Na microestrutura tridimensional, essas partículas são aproximadamente equiaxiais e separadas por finas regiões de ferrita, criando uma microestrutura que se assemelha a uma aparência de "pipoca" ou "bolo mármore". Essa morfologia é crucial para reduzir as forças de corte durante a usinagem e melhorar a conformabilidade.

Propriedades Físicas

A microestrutura esferoidizada influencia várias propriedades físicas:

• Densidade: Levemente reduzida em comparação com uma microestrutura totalmente perlítica ou cementítica devido à menor eficiência de empacotamento das partículas de cementita esféricas.
• Condutividade Elétrica: Levemente aumentada em relação às estruturas de cementita lamelar porque a cementita esferoidizada reduz a área da fronteira de fase, diminuindo a dispersão de elétrons.
• Propriedades Magnéticas: A matriz ferrítica é ferromagnética, enquanto a cementita é paramagnética; a estrutura esferoidizada pode influenciar levemente a permeabilidade magnética.
• Condutividade Térmica: Geralmente maior do que em estruturas lamelares devido à redução da área da fronteira de fase, facilitando a transferência de calor.
• Propriedades Mecânicas: A estrutura esferoidizada exibe menor dureza e resistência, mas maior ductilidade e tenacidade em comparação com microestruturas perlíticas ou cementíticas.

Comparado a outros microconstituintes, a cementita esferoidizada reduz tensões internas e locais de iniciação de trincas, levando a uma melhor usinabilidade e conformabilidade.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A formação de estruturas esferoidizadas é governada por princípios termodinâmicos destinados a minimizar a energia livre total do sistema. A transformação envolve a redução da energia interfacial entre as fases de cementita e ferrita.

Em temperaturas elevadas, as lamelas ou placas de cementita em estruturas perlíticas tornam-se termodinamicamente instáveis e tendem a se quebrar em partículas esferoidais para reduzir a área interfacial. O diagrama de fase de ligas de Fe-C indica que em temperaturas tipicamente entre 600°C e 700°C, a diferença de energia livre favorece a microestrutura esferoidizada, especialmente quando mantida por durações suficientes.

A estabilidade da cementita esferoidizada depende do teor de carbono e dos elementos de liga presentes, que influenciam os equilíbrios de fase e a força motriz para a esferoidização.

Cinética de Formação

A cinética da esferoidização envolve processos controlados por difusão onde átomos de carbono migram de lamelas de cementita para a matriz de ferrita ou em direção a superfícies livres. A nucleação de partículas de cementita esferoidizada ocorre nas fronteiras de fase, locais de deslocalização ou fronteiras de grão, onde estados de energia local favorecem a formação de partículas.

O crescimento da cementita esferoidizada é controlado pela difusão atômica, com a taxa descrita pelas leis de Fick. O processo é dependente de tempo e temperatura; temperaturas mais altas aceleram a difusão, mas arriscam o crescimento excessivo das partículas, enquanto temperaturas mais baixas retardam o processo.

A etapa que controla a taxa é tipicamente a difusão de átomos de carbono, com energias de ativação na faixa de 100-150 kJ/mol. A duração do processo varia de várias horas a dias, dependendo da composição da liga e da microestrutura inicial.

Fatores Influentes

Os principais elementos que influenciam a esferoidização incluem:

• Teor de Carbono: Níveis mais altos de carbono promovem a formação de cementita e a esferoidização.
• Elementos de Liga: Elementos como Mn, Si e Cr podem retardar ou acelerar a esferoidização ao afetar as taxas de difusão e a estabilidade de fase.
• Microestrutura Anterior: Estruturas perlíticas ou cementíticas finas esferoidizam de forma mais uniforme do que estruturas lamelares grossas.
• Parâmetros de Processamento: Temperatura de manutenção, taxa de resfriamento e tempo de imersão determinam criticamente a qualidade da esferoidização.

Microestruturas pré-existentes, como redes de perlita ou cementita, influenciam a facilidade e a uniformidade da esferoidização, com estruturas iniciais mais finas geralmente levando a microestruturas esferoidizadas mais uniformes.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A cinética da esferoidização pode ser modelada usando equações de difusão. O crescimento das partículas de cementita segue a segunda lei de Fick:

$$
\frac{\partial C}{\partial t} = D \nabla^2 C
$$

onde:

• $C$ é a concentração de carbono,
• ( t ) é o tempo,
• $D$ é o coeficiente de difusão do carbono na ferrita ou cementita.

O coeficiente de difusão ( D ) segue uma relação de Arrhenius:

$$
D = D_0 \exp \left( -