Liquação na Microestrutura do Aço: Formação, Efeitos e Significado Metalúrgico

Definição e Conceito Fundamental

Liquação é um fenômeno microestrutural metalúrgico caracterizado pela fusão localizada e segregação de elementos ou fases de liga específicos dentro de uma matriz sólida de aço durante o tratamento térmico ou processamento. Envolve a fusão parcial de certos constituintes, resultando na formação de filmes ou poças líquidas que facilitam a redistribuição de elementos ou separação de fases.

No nível atômico, a liquação ocorre quando a energia livre de uma fase ou componente particular excede a da fase líquida a uma determinada temperatura, provocando a fusão localizada. Esse processo é governado por equilíbrios de fase descritos no diagrama de fase do aço, especialmente próximo aos pontos eutéticos ou peritéticos, onde as fases sólida e líquida coexistem. Os arranjos atômicos na microestrutura são interrompidos localmente, levando à formação de regiões líquidas que podem influenciar a evolução microestrutural subsequente.

Na metalurgia do aço, a liquação é significativa porque impacta a soldabilidade, a ductilidade a quente e a formação de segregações que podem comprometer as propriedades mecânicas. Compreender a liquação ajuda a controlar a estabilidade microestrutural durante o processamento, garantindo características de desempenho desejadas e prevenindo defeitos como trincas a quente ou fraquezas induzidas por segregação.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

A liquação envolve a formação de regiões líquidas dentro de uma microestrutura predominantemente cristalina. As fases cristalinas envolvidas—como ferrita (α-Fe), austenita (γ-Fe), cementita (Fe₃C) ou vários carbonetos e nitratos de liga—mantêm seus arranjos atômicos fora das zonas de liquação.

A fase líquida formada durante a liquação não possui uma rede cristalina, mas exibe um arranjo atômico amorfo com ordem de curto alcance. Ao solidificar, o líquido reverte para fases cristalinas, muitas vezes com relações de orientação específicas em relação aos grãos parentais, influenciadas pela história térmica e composição da liga.

Em termos de parâmetros de rede, as fases sólidas têm valores bem definidos—por exemplo, a ferrita com uma estrutura cúbica de corpo centrado (BCC) e parâmetro de rede aproximadamente 2,87 Å à temperatura ambiente—enquanto a fase líquida carece de tais parâmetros. A interface entre as fases sólida e líquida pode exibir orientações cristalográficas específicas, especialmente durante a solidificação rápida, levando a fenômenos como crescimento epitaxial ou liquação de contornos de grão.

Características Morfológicas

Microestruturalmente, a liquação se manifesta como poças ou filmes líquidos localizados ao longo de contornos de grão, regiões interdendríticas ou dentro de zonas de microsegregação. Essas regiões líquidas são tipicamente microscópicas ou submicroscópicas, variando de alguns nanômetros a vários micrômetros de tamanho.

A morfologia varia dependendo das condições de processamento: em zonas de solda, a liquação aparece como filmes finos ao longo dos contornos de grão; em microestruturas fundidas, pode formar poças interdendríticas. A forma é frequentemente irregular, com características alongadas ou globulares, e a distribuição é não uniforme, concentrada em locais microestruturais específicos.

Sob microscopia óptica ou eletrônica, as zonas de liquação aparecem como regiões com contraste diferente ou como filmes líquidos que podem ser atacados de maneira diferente, frequentemente mostrando-se como camadas contínuas ou descontínuas ao longo de contornos de grão ou regiões interdendríticas. Em alguns casos, elas aparecem como áreas brilhantes ou escuras, dependendo do modo de imagem e dos mecanismos de contraste.

Propriedades Físicas

As propriedades físicas das zonas de liquação diferem marcadamente das fases sólidas circundantes. As regiões líquidas são caracterizadas por:

• Densidade: Inferior às fases sólidas, levando à potencial formação de porosidade ou vazios durante a solidificação.
• Condutividade Elétrica: Significativamente maior no estado líquido em comparação com as fases sólidas, influenciando a condutividade elétrica e térmica localmente.
• Propriedades Magnéticas: A fase líquida geralmente exibe comportamento paramagnético ou não magnético, contrastando com fases sólidas ferromagnéticas como a ferrita.
• Condutividade Térmica: As regiões líquidas têm maior condutividade térmica do que algumas fases sólidas, afetando o fluxo de calor durante ciclos térmicos.

Essas propriedades influenciam a estabilidade microestrutural, o comportamento mecânico e a resposta a processamento adicional. As zonas de liquação tendem a enfraquecer a microestrutura devido à sua natureza líquida e potencial para segregação, levando ao amolecimento ou fragilização localizada.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A liquação é impulsionada termodinamicamente pela redução local da energia livre alcançada através da transformação de fase de sólido para líquido. A temperaturas elevadas, certos elementos de liga—como enxofre, fósforo ou impurezas—segregam-se preferencialmente para contornos de grão ou regiões interdendríticas devido à sua menor solubilidade nas fases primárias.

Os diagramas de fase, especialmente os sistemas Fe-C, Fe-Ni ou Fe-Mn, revelam regiões onde as fases líquida e sólida coexistem. Próximo aos pontos eutéticos ou peritéticos, a diferença de energia livre entre as fases diminui, favorecendo a fusão localizada. A mudança de energia livre de Gibbs (ΔG) para a transformação de fase pode ser expressa como:

ΔG = ΔH - TΔS

onde ΔH é a mudança de entalpia, T é a temperatura e ΔS é a mudança de entropia. Quando ΔG se torna negativo localmente, a liquação ocorre.

Cinética de Formação

A cinética da liquação envolve nucleação e crescimento de regiões líquidas em locais microestruturais específicos. A nucleação é facilitada pela presença de elementos segregados, imperfeições nos contornos de grão ou microvazios, que reduzem a barreira de energia para a fusão.

O crescimento da fase líquida depende da temperatura, tempo e taxas de difusão dos elementos de liga. O passo que controla a taxa é frequentemente a difusão do soluto ao longo dos contornos de grão ou regiões interdendríticas, governada pelas leis de Fick. A energia de ativação para a difusão influencia a rapidez com que as zonas de liquação se desenvolvem durante os ciclos térmicos.

A relação tempo-temperatura segue um comportamento do tipo Arrhenius, com temperaturas mais altas acelerando a liquação. O aquecimento ou resfriamento rápido pode suprimir ou promover a liquação, dependendo do perfil térmico, afetando o tamanho e a distribuição das zonas líquidas.

Fatores Influentes

Os principais elementos composicionais que influenciam a liquação incluem enxofre, fósforo e outros elementos de impureza que se segregam para os contornos de grão, reduzindo os pontos de fusão localmente. Elementos de liga como manganês, silício ou adições de microligas podem modificar as tendências de segregação e a estabilidade de fase.

Os parâmetros de processamento, como taxa de aquecimento, tempo de manutenção da temperatura e taxa de resfriamento, impactam significativamente o desenvolvimento da liquação. Por exemplo, o resfriamento lento permite uma liquação e segregação mais extensas, enquanto o resfriamento rápido pode suprimir isso.

Microestruturas pré-existentes—como o tamanho dos grãos de austenita anterior, distribuição de inclusões ou deformação anterior—também influenciam o comportamento da liquação ao afetar os locais de nucleação e os caminhos de difusão.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A termodinâmica da liquação pode ser descrita pela condição de equilíbrio de fase:

f_L * γ_L + f_S * γ_S = ΔG_mix

onde:

• f_L e f_S são as frações volumétricas das fases líquida e sólida,
• γ_L e γ_S são suas respectivas energias livres,
• ΔG_mix é a diferença de energia livre que impulsiona a transformação de fase.

A taxa de nucleação (I) de regiões líquidas ao longo dos contornos de grão