Fissuração na Microestrutura do Aço: Formação, Características e Impacto

Definição e Conceito Fundamental

Clivagem na metalurgia do aço refere-se à tendência de um material cristalino de fraturar ao longo de planos cristalográficos específicos onde as ligações atômicas são mais fracas. Manifesta-se como uma superfície de fratura limpa, plana e frequentemente brilhante que se propaga com mínima deformação plástica.

No nível atômico, a clivagem ocorre devido à natureza anisotrópica da ligação atômica dentro da rede cristalina. Certos planos cristalográficos exibem energias de ligação mais baixas e coesão atômica mais fraca, tornando-os caminhos preferenciais para a propagação de fissuras sob tensão. Essa fraqueza direcional é intrínseca à estrutura cristalina, como arranjos cúbicos de corpo centrado (BCC), cúbicos de face centrada (FCC) ou empilhados hexagonais (HCP).

No contexto da ciência dos materiais, a clivagem é um modo de falha crítico, especialmente em aços frágeis. Influencia a tenacidade à fratura, resistência ao impacto e a integridade estrutural geral. Compreender o comportamento da clivagem ajuda no design de aços com propriedades personalizadas, equilibrando resistência e tenacidade para aplicações específicas.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

A clivagem está inerentemente ligada ao arranjo cristalográfico dos átomos dentro da microestrutura do aço. O aço consiste principalmente de ferrita (α-ferro, BCC), austenita (FCC), martensita (estruturas tetragonais ou distorcidas) e vários carbonetos ou fases intermetálicas.

Em estruturas BCC como a ferrita, os planos de clivagem são tipicamente da família {100}, com planos atômicos orientados ao longo das faces do cubo. O fator de empacotamento atômico (APF) para BCC é aproximadamente 0,68, indicando uma estrutura relativamente aberta que influencia o comportamento da clivagem.

Em estruturas FCC, como a austenita, a clivagem tende a ocorrer ao longo dos planos {111}, que são densamente empacotados, mas ainda representam planos de fraqueza sob certas condições. Os parâmetros de rede para o ferro FCC são aproximadamente 0,36 nm, com os planos {111} separados por cerca de 0,125 nm.

Estruturas HCP, menos comuns em aços, mas relevantes em algumas fases ligadas, exibem clivagem ao longo dos planos basais {0001}, caracterizados por camadas atômicas dispostas de forma hexagonal.

Relações de orientação cristalográfica, como Kurdjumov–Sachs ou Nishiyama–Wassermann, descrevem como as fases se transformam e como os planos de clivagem se relacionam com a microestrutura mãe. Essas relações influenciam os caminhos de propagação de fissuras e as características da superfície de fratura.

Características Morfológicas

Fraturas por clivagem geralmente aparecem como superfícies lisas e espelhadas sob microscopia óptica e eletrônica, indicativas de fratura frágil. A superfície de fratura frequentemente exibe uma aparência facetada, com facetas planas distintas correspondendo a planos de clivagem específicos.

O tamanho das facetas de clivagem pode variar de alguns micrômetros a várias centenas de micrômetros, dependendo da composição do aço, microestrutura e condições de fratura. Em aços frágeis, as facetas de clivagem estão frequentemente interconectadas, formando uma rede que se propaga rapidamente através da microestrutura.

Em três dimensões, as superfícies de clivagem são planas e planas, frequentemente intersectando limites de grão ou interfaces de fase. A morfologia pode ser influenciada por características microestruturais anteriores, como tamanho de grão, distribuição de fase e tensões residuais.

Características visuais incluem uma aparência brilhante e cristalina com facetas características e, às vezes, degraus de clivagem—pequenos degraus ou bordas ao longo da superfície de fratura indicando pequenas desvios na propagação da fissura.

Propriedades Físicas

Microestruturas de clivagem estão associadas a propriedades físicas específicas:

• Densidade: Superfícies de clivagem são densas e livres de características de deformação plástica, resultando em uma alta densidade local em comparação com superfícies de fratura dúctil.
• Condutividade Elétrica: Como as superfícies de clivagem são essencialmente limpas, planos atômicos com mínima deformação, elas exibem propriedades elétricas semelhantes ao material em massa.
• Propriedades Magnéticas: Facetas de clivagem não alteram significativamente a resposta magnética do aço, mas o modo de fratura pode influenciar os sinais de teste não destrutivo magnético.
• Condutividade Térmica: A natureza lisa e plana das superfícies de clivagem permite uma transferência de calor eficiente através do plano de fratura, semelhante ao material em massa.

Comparadas às superfícies de fratura dúctil, as superfícies de clivagem são mais frágeis, com menor absorção de energia durante a propagação da fissura. A ausência de zonas de deformação plástica torna as fraturas por clivagem mais catastróficas e menos tolerantes sob carga.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A formação de microestruturas de clivagem é governada pela estabilidade termodinâmica e pela natureza anisotrópica da ligação atômica. A diferença de energia livre entre o cristal intacto e a superfície fraturada determina a propensão à clivagem.

A clivagem ocorre quando a energia necessária para criar novas superfícies (energia de superfície, γ) é compensada pela energia liberada durante a propagação da fissura. O critério de Griffith afirma que uma fissura se propagará quando:

$$G \geq 2γ $$

onde $G$ é a taxa de liberação de energia. Em aços frágeis, a baixa energia de superfície de planos cristalográficos específicos favorece a clivagem.

Diagramas de fase, como o diagrama de fase Fe–C, influenciam a estabilidade microestrutural e a probabilidade de clivagem. Por exemplo, aços martensíticos de alto carbono com altas tensões residuais são mais propensos à fratura por clivagem devido à sua fragilidade intrínseca.

Cinética de Formação

A iniciação de fissuras por clivagem geralmente ocorre em falhas microestruturais, como limites de grão, inclusões ou acúmulos de deslocamento. Uma vez iniciada, a propagação da fissura ao longo de planos de clivagem preferenciais é rápida, frequentemente se aproximando da velocidade do som no material.

A cinética é controlada por fatores como temperatura, intensidade de tensão e características microestruturais. Em temperaturas mais baixas, as vibrações atômicas diminuem, reduzindo a ductilidade e promovendo a clivagem. Por outro lado, temperaturas elevadas podem ativar mecanismos dúcteis, suprimindo a clivagem.

A taxa de crescimento da fissura é influenciada pela energia de ativação para a quebra de ligações ao longo do plano de clivagem. O processo é geralmente frágil, com mínima dependência do tempo, mas pode ser afetado por barreiras microestruturais.

Fatores Influentes

• Composição da Liga: Elementos como enxofre, fósforo e certas inclusões enfraquecem as ligações atômicas ao longo de planos específicos, promovendo a clivagem.
• Parâmetros de Processamento: Resfriamento rápido (têmpera) aumenta tensões residuais e conteúdo martensítico, aumentando a suscetibilidade à clivagem.
• Microestrutura Anterior: Aços de grão fino tendem a resistir à fratura por clivagem devido ao fortalecimento dos limites de grão, enquanto grãos grossos facilitam a propagação da clivagem.
• Temperatura: Temperaturas mais baixas aumentam a fragilidade e a propensão à clivagem, enquanto temperaturas mais altas promovem comportamento dúctil.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

O critério de Griffith para a propagação de fissuras:

$$G = \frac{K^2}{E} $$

onde:

• ( G ) =