Reações Peritéticas no Aço: Formação de Microestrutura e Impacto nas Propriedades

Definição e Conceito Fundamental

Peritético refere-se a um tipo específico de reação invariante em diagramas de fase, particularmente no contexto de sistemas de aço e ligas, onde, ao resfriar, uma fase líquida reage com uma fase sólida para produzir uma fase sólida diferente. No caso do aço, a reação peritética geralmente envolve a transformação de austenita (γ-Fe) e líquido em uma fase sólida diferente, como ferrita (α-Fe) ou fases de carboneto, dependendo da composição da liga e da temperatura.

Cientificamente, essa reação ocorre a uma temperatura e composição precisas onde as energias livres das fases envolvidas são iguais, levando a um processo de nucleação e crescimento acoplado. Em nível atômico, a reação envolve o rearranjo de átomos das fases iniciais em uma nova fase termodinamicamente estável, frequentemente acompanhada por uma mudança na estrutura cristalina e empacotamento atômico.

Na metalurgia do aço, entender a reação peritética é crucial porque influencia a evolução microestrutural durante a solidificação e o tratamento térmico. Afeta a formação de microconstituintes, distribuições de fase e, em última análise, as propriedades mecânicas dos produtos de aço. Reconhecer a reação peritética ajuda no design de tratamentos térmicos e composições de liga para otimizar o desempenho do aço.

Natureza Física e Características

Estrutura Cristalográfica

As fases envolvidas na reação peritética em aços geralmente incluem austenita (γ-Fe), que possui uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC), e ferrita (α-Fe), que possui uma estrutura cúbica de corpo centrado (BCC). A fase líquida, presente durante a fusão ou processamento em alta temperatura, é isotrópica e não possui uma estrutura cristalina fixa até a solidificação.

A reação peritética envolve a transformação de líquido e austenita em ferrita ou outras fases, com a relação cristalográfica governada por relações de orientação, como as relações de Kurdjumov–Sachs ou Nishiyama–Wassermann. Essas relações descrevem como as redes cristalinas das fases mãe e produto se alinham, facilitando a nucleação e o crescimento.

Em alguns sistemas de liga, carbonetos ou outras fases intermetálicas podem participar, com suas próprias estruturas cristalinas distintas, como a cementita (Fe₃C), que possui uma estrutura ortorrômbica. Os arranjos atômicos e os parâmetros de rede influenciam a cinética e a morfologia dos produtos da reação.

Características Morfológicas

A microestrutura resultante de uma reação peritética frequentemente exibe características observáveis sob microscopia. Durante a solidificação, a reação pode produzir microconstituintes distintos, como regiões interdendríticas ou interdendríticas ricas na nova fase.

O tamanho das microestruturas peritéticas varia de submicrônico a vários micrômetros, dependendo das taxas de resfriamento e da composição da liga. A morfologia pode ser globular, acicular ou lamelar, com a forma influenciada pelas condições de crescimento e energias de fronteira de fase.

Em micrografias polidas e gravadas, os microconstituintes peritéticos frequentemente aparecem como bandas contínuas ou descontínuas, com contraste acentuado devido a diferenças na resposta de gravação entre as fases. A distribuição é tipicamente uniforme em processos bem controlados, mas pode ser heterogênea em aços fundidos ou resfriados rapidamente.

Propriedades Físicas

Microestruturas peritéticas influenciam várias propriedades físicas do aço. Diferenças de densidade entre fases podem levar a tensões internas durante o resfriamento, afetando a tenacidade e a ductilidade. As fases envolvidas podem exibir diferentes propriedades magnéticas; por exemplo, a ferrita é ferromagnética, enquanto a austenita é paramagnética em altas temperaturas.

A condutividade térmica varia entre as fases, com a ferrita geralmente apresentando maior condutividade térmica do que a austenita ou fases de carboneto. A condutividade elétrica também pode diferir, impactando aplicações onde as propriedades elétricas são críticas.

Comparadas a outros microconstituintes, as fases peritéticas frequentemente têm níveis distintos de dureza e fragilidade. Por exemplo, as fases de carboneto formadas durante reações peritéticas tendem a ser duras e frágeis, influenciando a resistência ao desgaste e a usinabilidade.

Mecanismos de Formação e Cinética

Base Termodinâmica

A formação de microestruturas peritéticas é governada por equilíbrios de fase descritos nos diagramas de fase Fe-C e Fe-Ni. Na temperatura peritética, as energias livres de Gibbs (G) das fases envolvidas satisfazem a relação:

$$G_{liquid} = G_{phase\,1} + G_{phase\,2} $$

onde as fases são a líquida e a fase sólida inicial (por exemplo, austenita). A reação ocorre a uma composição e temperatura fixas, conhecidas como ponto peritético, onde as curvas de energia livre se cruzam.

A estabilidade das fases depende de suas energias livres, que são funções de temperatura, composição e pressão. O diagrama de fase indica as condições precisas sob as quais a reação peritética é termodinamicamente favorecida, orientando o design de ligas e cronogramas de tratamento térmico.

Cinética de Formação

A cinética da reação peritética envolve processos de nucleação e crescimento. A nucleação da nova fase ocorre nas fronteiras de fase ou dentro das fases mãe, impulsionada pela redução da energia livre. A taxa de nucleação depende de fatores como sub-resfriamento, energias interfaciais e a presença de locais de nucleação.

O crescimento ocorre por meio da difusão atômica, com a taxa controlada pelos coeficientes de difusão dos elementos de liga e temperatura. A natureza acoplada da reação significa que as interfaces líquido-sólido e sólido-sólido evoluem simultaneamente, com a taxa geral de transformação influenciada por gradientes de temperatura e taxas de resfriamento.

A energia de ativação para a reação está associada à difusão atômica e migração de interface. O resfriamento rápido pode suprimir a formação de fases peritéticas de equilíbrio, levando a microestruturas metastáveis, enquanto o resfriamento lento promove microconstituintes de equilíbrio.

Fatores Influentes

A composição da liga influencia criticamente a formação peritética. Elementos como carbono, manganês e níquel modificam o diagrama de fase, deslocando o ponto peritético e afetando a estabilidade da fase.

Parâmetros de processamento, como taxa de resfriamento, gradientes de temperatura e tempos de espera, determinam a extensão e a morfologia da microestrutura peritética. O resfriamento rápido tende a produzir microestruturas mais finas com fases peritéticas suprimidas, enquanto o resfriamento lento permite microestruturas mais grossas e de equilíbrio.

Microestruturas pré-existentes, como o tamanho dos grãos de austenita anterior, influenciam os locais de nucleação e a uniformidade da reação peritética. Elementos de liga que formam carbonetos ou nitretos estáveis também podem inibir ou promover transformações peritéticas.

Modelos Matemáticos e Relações Quantitativas

Equações Chave

A força motriz termodinâmica (( \Delta G )) para a reação peritética pode ser expressa como:

$$\Delta G = \Delta H - T \Delta S $$

onde:

• ( \Delta H ) é a mudança de entalpia associada à reação,
• $T$ é a temperatura absoluta,
• ( \Delta S ) é a mudança de entropia.

A taxa de nucleação (( I )) segue a teoria clássica de nucleação:

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

onde:

• $I_0$ é um fator pré-exponencial,
• ( \Delta G^* ) é a barreira crítica de energia livre,
• ( k ) é a constante de Boltzmann.

A taxa de crescimento (( R )) depende da difusão atômica:

$$R = D \frac{\Delta C}{\delta} $$

onde:

• $D$ é o coeficiente de difusão,
• ( \Delta C ) é a diferença de concentração que impulsiona a difusão,
• ( \