Faixa de Martensita: Formação, Microestrutura e Impacto nas Propriedades do Aço

Definição e Conceito Fundamental

Faixa de Martensita refere-se ao intervalo de temperatura específico dentro do qual o aço austenítico se transforma em martensita durante processos de resfriamento rápido ou têmpera. É um conceito crítico no tratamento térmico do aço, representando a janela de temperatura onde a transformação de austenita para martensita ocorre predominantemente.

No nível atômico, a formação de martensita envolve uma transformação sem difusão, dominada por cisalhamento, da austenita cúbica de face centrada (FCC) em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (BCT) ou cúbica de corpo centrado (BCC). Essa transformação é caracterizada por um cisalhamento coordenado da rede que resulta em uma mudança rápida e deslocativa sem difusão atômica, produzindo uma microestrutura supersaturada e altamente deformada.

A importância da Faixa de Martensita reside em sua influência nas propriedades mecânicas, dureza e tenacidade do aço. Compreender esse intervalo de temperatura permite que os metalurgistas ajustem os processos de tratamento térmico para alcançar microestruturas e características de desempenho desejadas, tornando-o fundamental na metalurgia do aço e na ciência dos materiais.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

A martensita no aço adota predominantemente uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT), derivada da rede cúbica de face centrada (FCC) da austenita parental. A transformação envolve uma deformação de cisalhamento da rede FCC, resultando em uma fase BCT distorcida com um parâmetro de rede c aproximadamente 1,01 a 1,05 vezes a, dependendo do teor de carbono.

Os parâmetros de rede são influenciados por átomos de carbono aprisionados em locais intersticiais, que distorcem a estrutura BCT. A transformação ocorre por meio de um mecanismo de cisalhamento coordenado, com relações de orientação específicas, como as variantes de Kurdjumov–Sachs ou Nishiyama–Wassermann, ligando as fases de martensita e austenita.

Cristalograficamente, a martensita exibe uma alta densidade de descontinuidades e tensões internas devido à transformação de cisalhamento. Os planos de hábito—planos preferenciais ao longo dos quais o cisalhamento ocorre—são tipicamente próximos aos planos {111} da rede FCC parental, facilitando o processo de cisalhamento.

Características Morfológicas

A martensita se manifesta como microestruturas em lâminas ou placas em aços de baixo a médio carbono, com tamanhos variando de alguns micrômetros a dezenas de micrômetros. A morfologia depende da composição da liga, taxa de resfriamento e microestrutura anterior.

Em aços de baixo carbono, a martensita aparece como lâminas finas, semelhantes a agulhas, dispostas em pacotes ou blocos, frequentemente exibindo uma aparência acicular ou em forma de agulha sob microscopia óptica ou eletrônica. Em aços de maior carbono, a microestrutura pode consistir em placas ou blocos maiores, com limites claros delineando diferentes variantes.

A configuração tridimensional envolve lâminas ou placas entrelaçadas, criando uma rede complexa de descontinuidades de alta densidade. As características visuais da microestrutura incluem uma morfologia característica de agulha ou placa com alto contraste sob imagens de elétrons retroespalhados, frequentemente exibindo um padrão de lâmina ou placa com orientações específicas de variantes.

Propriedades Físicas

A martensita é distinguida por sua alta dureza e resistência, devido ao seu teor de carbono supersaturado e densidade de descontinuidades. Sua densidade é ligeiramente maior do que a da austenita devido à transformação de cisalhamento e distorções de rede associadas.

Eletricamente, a martensita exibe uma resistividade aumentada em comparação com a austenita, atribuível à sua microestrutura rica em defeitos. Magneticamente, a martensita é ferromagnética, contrastando com a natureza paramagnética da austenita, tornando os testes magnéticos uma ferramenta útil de identificação.

Termicamente, a martensita tem uma condutividade térmica relativamente alta em comparação com outras microestruturas, facilitando a dissipação de calor durante o processamento. Seu módulo elástico é comparável a outras fases BCT, mas é afetado por tensões internas e densidade de descontinuidades.

Comparada ao ferrite ou perlita, as propriedades da martensita são marcadamente diferentes, com dureza, resistência à tração e fragilidade significativamente mais altas, que podem ser ajustadas por meio de têmpera para otimizar o desempenho.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A formação de martensita é governada pelo princípio termodinâmico da estabilidade de fase, onde a diferença de energia livre entre austenita e martensita determina a força motriz da transformação. Em altas temperaturas, a austenita é estável; após resfriamento rápido, a energia livre da martensita torna-se menor do que a da austenita dentro de uma janela de temperatura específica— a Faixa de Martensita.

O diagrama de fases do aço indica que a temperatura de início da martensita (Ms) marca o início da transformação, enquanto a temperatura de término da martensita (Mf) significa a transformação completa. A faixa de martensita abrange temperaturas entre Ms e Mf, onde a transformação ocorre rapidamente.

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

ΔG = ΔH - TΔS

onde ΔH é a mudança de entalpia, ΔS é a mudança de entropia, e T é a temperatura. Quando ΔG se torna negativo dentro da faixa de martensita, a transformação de cisalhamento é termodinamicamente favorecida.

Cinética de Formação

A cinética da formação de martensita é caracterizada por um processo controlado por cisalhamento e sem difusão que ocorre quase instantaneamente uma vez que a temperatura crítica é alcançada. A nucleação começa em numerosos locais dentro dos grãos de austenita, com o crescimento das variantes martensíticas impulsionado pela minimização da energia de deformação de cisalhamento.

O passo que controla a taxa é a própria transformação de cisalhamento, com energia de ativação associada à distorção da rede e tensões internas. A taxa de transformação aumenta com a diminuição da temperatura dentro da faixa de martensita, atingindo um máximo em Ms, e depois desacelerando à medida que a microestrutura se aproxima da conclusão perto de Mf.

Os diagramas de tempo-temperatura-transformação (TTT) e os diagramas de transformação de resfriamento contínuo (CCT) são usados para modelar a cinética, ilustrando as taxas de resfriamento críticas necessárias para evitar a formação de perlita ou bainita e produzir martensita.

Fatores Influentes

Elementos de liga como carbono, manganês, níquel e cromo influenciam a formação de martensita ao alterar as temperaturas Ms e Mf. Um maior teor de carbono reduz Ms, expandindo a faixa de martensita e aumentando a tendência para a transformação martensítica.

A microestrutura anterior, como o tamanho dos grãos e fases existentes, afeta os locais de nucleação e os caminhos de transformação. Taxas de resfriamento rápidas, alcançadas por meio da têmpera, são essenciais para suprimir transformações controladas por difusão e promover a formação de martensita.

Parâmetros de processamento como taxa de resfriamento, gradientes de temperatura e histórico de deformação impactam significativamente a extensão e morfologia da martensita dentro da microestrutura do aço.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A temperatura Ms pode ser estimada usando equações empíricas, como a equação de Andrews:

Ms (°C) = 539 - 423C - 30Mn - 17Cr - 12Ni - 7Mo

onde C, Mn, Cr, Ni e Mo são porcentagens em peso dos respectivos elementos de liga.

A fração de volume de martensita (f_M) formada durante a têmpera pode ser aproximada pela equação de Koistinen–Marburger:

f_M = 1 - exp[-α (Ms - T)]

onde:

• f_M é a fração de martensita,

• α é uma constante do material (~0,011 para aços),

• Ms é a temperatura de início da martensita,