Cementita na Microestrutura do Aço: Formação, Propriedades e Impacto

Definição e Conceito Fundamental

A cementita, também conhecida como carboneto de ferro (Fe₃C), é um composto intermetálico duro e quebradiço que se forma dentro das microestruturas do aço. É caracterizada por uma relação estequiométrica específica de três átomos de ferro para um átomo de carbono, resultando em uma fase distinta com propriedades únicas. No nível atômico, a cementita adota uma estrutura cristalina ortorrômbica, onde os átomos de ferro e carbono estão dispostos em uma rede precisa que confere sua dureza e fragilidade características.

Na metalurgia do aço, a cementita desempenha um papel crítico na definição da composição microestrutural, influenciando propriedades mecânicas como dureza, resistência e resistência ao desgaste. É uma fase fundamental no diagrama de fases Fe-C, representando um composto termodinamicamente estável em certas composições e temperaturas. Compreender a formação, estabilidade e distribuição da cementita é essencial para controlar as propriedades do aço durante o processamento e o tratamento térmico.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

A cementita cristaliza em um sistema cristalino ortorrômbico, com parâmetros de rede aproximadamente a = 4,54 Å, b = 6,74 Å e c = 4,52 Å. Sua estrutura consiste em uma rede complexa de átomos de ferro coordenados com átomos de carbono ocupando locais intersticiais e substitucionais. A disposição atômica apresenta cadeias de átomos de ferro ligadas a carbono, formando uma rede tridimensional que confere sua dureza característica.

A fase exibe uma relação de orientação cristalográfica específica com a ferrita (α-Fe), frequentemente descrita pelas relações de orientação Kurdjumov–Sachs ou Nishiyama–Wassermann. Essas relações influenciam a nucleação e o crescimento da cementita durante as transformações de fase, afetando a morfologia geral da microestrutura.

Características Morfológicas

A cementita aparece em várias morfologias dependendo da composição do aço e da história térmica. Formas comuns incluem placas lamelares dentro da perlita, partículas esferoidizadas ou agulhas alongadas em microestruturas bainíticas. O tamanho das partículas de cementita varia de nanômetros em perlita fina a vários micrômetros em estruturas grossas.

Em micrografias, a cementita se manifesta como características escuras, semelhantes a agulhas ou placas sob microscopia óptica, especialmente após ataque com reagentes adequados. Sob microscopia eletrônica de varredura (SEM), a morfologia da cementita pode ser distinguida por sua forma e contraste distintos, frequentemente aparecendo como partículas alongadas ou em bloco embutidas em matrizes ferríticas ou martensíticas.

Propriedades Físicas

As propriedades físicas da cementita são ditadas principalmente por sua natureza intermetálica. Ela possui uma alta densidade (~7,6 g/cm³), contribuindo para a densidade geral das microestruturas do aço que a contêm. Sua condutividade elétrica é baixa devido à sua ligação intermetálica, e exibe propriedades magnéticas semelhantes às da ferrita, mas com permeabilidade magnética reduzida.

Termicamente, a cementita é estável até sua temperatura de decomposição (~727°C), além da qual se transforma em austenita ou se decompõe em ferrita e cementita em aços eutetóides. Sua fragilidade é uma característica chave, levando à iniciação de trincas sob estresse, o que influencia a tenacidade do aço.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A formação da cementita é governada por princípios termodinâmicos que favorecem sua estabilidade em composições e temperaturas específicas dentro do diagrama de fases Fe-C. A energia livre da cementita é menor do que a de outras fases em certas condições, tornando-a a fase termodinamicamente preferida em aços hipereutetóides.

Considerações de equilíbrio de fase indicam que a cementita se forma durante o resfriamento da austenita quando o teor de carbono excede a composição eutetóide (~0,76% em peso). O diagrama de fases mostra uma região onde a cementita coexiste com ferrita ou austenita, dependendo da temperatura e composição, ditando sua estabilidade e propensão à formação.

Cinética de Formação

A nucleação da cementita envolve superar uma barreira de energia associada à criação de uma nova interface de fase. A nucleação é facilitada por locais heterogêneos, como limites de grão, deslocações ou partículas de cementita existentes. O crescimento ocorre por meio da difusão de átomos de carbono através da matriz circundante, com a taxa controlada pela mobilidade atômica.

A cinética é influenciada pela temperatura, com temperaturas mais altas acelerando a difusão, mas potencialmente suprimindo a formação de cementita se a temperatura exceder a faixa de estabilidade. A energia de ativação para o crescimento da cementita está tipicamente na faixa de 100–200 kJ/mol, refletindo a barreira de energia para a difusão de carbono e migração da fronteira de fase.

Fatores Influentes

Elementos de liga, como cromo, molibdênio e vanádio, podem modificar a formação da cementita ao alterar a estabilidade da fase e as taxas de difusão. Por exemplo, elementos formadores de carbonetos tendem a promover partículas de cementita mais finas e mais uniformemente distribuídas.

Parâmetros de processamento, como a taxa de resfriamento, influenciam significativamente a morfologia e a distribuição da cementita. O resfriamento rápido pode suprimir a formação de cementita, levando a microestruturas martensíticas, enquanto o resfriamento lento promove redes de cementita grossas. A microestrutura anterior, como o tamanho do grão de austenita, também afeta os locais de nucleação e o comportamento de crescimento.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A taxa de nucleação (I) da cementita pode ser descrita pela teoria clássica da nucleação:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

onde:

• $I_0$ é um fator pré-exponencial relacionado à frequência de vibração atômica,

• ( \Delta G^* ) é a barreira de energia livre crítica para nucleação,

• ( k ) é a constante de Boltzmann,

• $T$ é a temperatura absoluta.

A barreira de energia livre crítica é dada por:

$$\Delta G^* = \frac{16 \pi \gamma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$

onde:

• ( \gamma ) é a energia interfacial entre a cementita e a matriz,

• ( \Delta G_v ) é a diferença de energia livre volumétrica entre as fases.

A taxa de crescimento (G) das partículas de cementita pode ser aproximada por:

$$G = D \frac{\Delta C}{r} $$

onde:

• $D$ é o coeficiente de difusão do carbono,

• ( \Delta C ) é o gradiente de concentração,

• ( r ) é o raio da partícula.

Modelos Preditivos

Modelos computacionais, como simulações de campo de fase e métodos CALPHAD (CAlculo de PHAse Diagrams), são empregados para prever a formação e a evolução da morfologia da cementita. Esses modelos incorporam dados termodinâmicos e parâmetros cinéticos para simular o desenvolvimento microestrutural durante o tratamento térmico.

Avanços recentes incluem modelagem multiescalar que combina simulações atomísticas com abordagens de continuum, permitindo previsões detalhadas sobre nucleação, crescimento e comportamentos de coarsening. As limitações incluem incertezas nas energias interfaciais e coeficientes de difusão, que podem afetar a precisão.

Métodos de Análise Quantitativa

A metalografia quantitativa envolve a medição da fração de volume de cementita, distribuição de tamanho e morfologia usando software de análise de imagem. Técnicas como contagem de pontos, interceptação de linhas e estereologia fornecem dados estatísticos sobre características microestruturais.

O processamento digital de imagens combinado