Aços e ligas especiais
Que estruturas seriam formadas se o aço carbono com
fosse resfriado a:
-
-
-
-
-
Que estruturas seriam formadas se o aço carbono com
Passo 1
O enunciado pede: para um aço com composição
(ou seja, um aço hipereutectoide? cuidado: aqui é hipOeutectoide — veja depois) determinar que estruturas se formariam ao resfriar a peça com as taxas:
Informações relevantes dadas:
- Composição do aço:
. - Cinco taxas de resfriamento diferentes (todas em
). - A pergunta quer saber quais microestruturas se formam (ex.: ferrita proeutetoide, perlita grosseira/fina, bainita, martensita, etc.) para cada taxa.
Passo 2
Breve “aula” das fases e termos que vamos usar (explicado devagar):
- Austenita (
): solução sólida de carbono em ferro , estável a altas temperaturas. - Ferrita (
): ferro quase puro (muito pouco C dissolvido); é macia e dúctil. - Cementita (
): composto duro e frágil rico em carbono. - Perlita: microestrutura lamelar formada por alternância de ferrita + cementita; resultado da transformação eutektoide da austenita a temperatura lenta/moderada.
- Perlita grosseira: lamelas mais largas → menos dura.
- Perlita fina: lamelas mais finas → mais dura.
- Bainita: microestrutura formada por transformação difusional/semidifusional a temperaturas mais baixas que a perlita; deixa propriedades intermediárias (dureza alta, tenacidade melhor que perlita).
- Martensita: transformação por difusão a temperaturas muito baixas (transformação a quente da austenita para uma estrutura supersaturada, cristalinamente distorcida — corpo centrado tetragonal). Muito dura e frágil; não precisa difusão de C.
- Proeutetoide: em aços hipoeutetóides (C < composição eutetóide) forma-se ferrita proeutetoide antes da transformação eutektoide restante em perlita.
Nota importante sobre composição: a composição eutetóide do aço é
. Como nosso aço tem
, ele é hipoeutetóide — ou seja, ao arrefecer, primeiro aparece ferrita proeutetoide e depois a parte restante se transforma em perlita quando a temperatura alcança a região eutetóide.
Passo 3
Como usar diagramas de transformação (TTT e CCT) para decidir a estrutura:
- TTT (Time–Temperature–Transformation) mostra, para o aço, quanto tempo é necessário a uma dada temperatura para que a austenita se transforme em perlita/bainita. Tem um “nariz” onde a transformação é mais rápida.
- CCT (Continuous Cooling Transformation) é o que interessa aqui: mostra o que acontece quando a temperatura cai continuamente com determinada velocidade. Cada taxa de resfriamento corresponde a uma curva que corta as regiões do diagrama CCT; onde a curva cruzar a região da perlita ela formará perlita, se cruzar a região da bainita formará bainita; se passar por cima das regiões difusionais e atingir
(temperatura de início de martensita) sem transformação, forma martensita. - Conceito de taxa crítica: existe uma taxa de resfriamento mínima (taxa crítica) para evitar transformações difusionais (perlita/bainita) e obter martensita. Essa taxa depende da composição: para aços com mais carbono a taxa crítica costuma ser menor (é mais fácil formar martensita) e para menos carbono maior. Para um aço médio como
a taxa crítica costuma estar na faixa de algumas dezenas de (ou seja, centenas a milhares ), dependendo do diagrama CCT específico da liga. Vamos usar uma abordagem qualitativa + ordem de grandeza para relacionar as taxas dadas às regiões típicas do CCT.
Observação prática (estimativa útil): temperaturas críticas de transformação:
- O nariz do TTT normalmente está entre
e para muitos aços eutetóides/hipo-. - Temperaturas de formação de bainita tipicamente entre
e . -
(início da formação de martensita) para um aço com costuma ficar na casa de – (valor típico adotado: como referência). Não é um número absoluto — é uma estimativa para raciocínio qualitativo.
Passo 4
Converter taxas para unidades mais intuitivas (°C/s) e interpretar ordem de grandeza:
-
— muito lento. -
— moderado. -
— rápido. -
— bem rápido. -
— extremamente rápido (equivalente a têmpera muito agressiva).
Interpretação qualitativa: quanto mais rápido o resfriamento (maior
), menos tempo austenita terá para transformar por difusão (perlita/bainita) e mais provável será a formação de martensita.
Passo 5
Caso 1: taxa
.
- Esse resfriamento é lento. A curva de resfriamento cruza facilmente a região do nariz do TTT/CCT (temperaturas
– ) com muito tempo disponível para transformação por difusão. - Resultado esperado: formação de ferrita proeutetóide (porque
) primeiro, e depois da queda até a temperatura eutetóide a austenita remanescente transforma-se em perlita. Como o resfriamento é lento, a perlita tende a ser grosseira (lamelas largas). - Resumo: ferrita proeutetoide + perlita grosseira.
Passo 6
Caso 2: taxa
.
- Essa é uma taxa bem maior que a anterior, mas ainda relativamente moderada. A curva de resfriamento pode ainda atingir a região de transformação da perlita (ou cortá‑la) dependendo do diagrama CCT exato. Em muitos aços essa velocidade dá tempo suficiente para perlita, porém as lamelas ficam mais finas (perlita fina) porque a transformação ocorre com menos tempo para difusão.
- Pode haver ainda formação de ferrita proeutetóide inicialmente (pois a composição é hipoeutetóide), mas a maior velocidade tende a reduzir a quantidade de ferrita grosseira e a favorecer perlita mais fina. Em alguns casos parciais, se a curva atravessar a região de bainita, pode aparecer uma pequena fração de bainita superior, mas o cenário mais provável é perlita fina + um pouco de ferrita proeutetóide.
- Resumo: ferrita proeutetóide + perlita fina (talvez pequena fração de bainita em função do CCT real).
Passo 7
Caso 3: taxa
.
- Aqui a velocidade é significativamente maior. Dependendo do diagrama CCT do aço, essa taxa pode já começar a evitar parte da transformação perlítica: a curva de resfriamento pode “passar” pelo nariz do TTT rápido demais para que a perlita se forme completamente. Em consequência, a transformação pode ocorrer mais abaixo na escala de temperatura, favorecendo bainita (especialmente bainita superior) e, se o resfriamento atingir a região de martensita antes que a bainita termine, uma mistura bainita + martensita pode ocorrer.
- Para
, muitos CCTs indicam que isto é uma faixa de transição onde aparece bainita e começa a aparecer martensita conforme a taxa aumenta. Portanto a microestrutura mais provável: mistura de bainita (principal) e martensita (parcial). - Resumo: mistura bainita + martensita (dependendo do CCT do aço, tendência crescente para martensita conforme a taxa aumenta).
Passo 8
Caso 4: taxa
.
- Essa taxa é alta e, para um aço com
, costuma ser suficiente para atravessar as regiões difusionais sem tempo para perlita e em grande parte também sem tempo suficiente para bainita. A curva de resfriamento atinge rapidamente a região abaixo de , iniciando a formação de martensita. - Portanto espera‑se predominantemente martensita. Pode haver pequenas frações residuais de bainita se a curva tocou a região de bainita em algum intervalo de temperatura, mas o resultado típico é martensita majoritária.
- Resumo: predominantemente martensita (possivelmente com pequena fração de bainita residual).
Passo 9
Caso 5: taxa
.
- Taxa extremante rápida (têmpera super agressiva). A austenita praticamente não tem tempo para qualquer transformação por difusão. A curva de resfriamento atinge
muito rapidamente e a transformação será essencialmente completa para martensita. - Em resfriamentos tão rápidos pode aparecer também uma maior quantidade de retenção de austenita em função do excesso de carbono na austenita antes da transformação e do deslocamento das temperaturas
e , mas o que predomina é martensita (muito dura). - Resumo: praticamente martensita (com possível retenção de austenita em pequena fração).
Passo 10
Observações práticas para a prova (como reconhecer/justificar rapidamente):
- Sempre comece lembrando: se
→ ferrita proeutetoide + perlita (se resfriamento lento). Se resfriamento for rápido, perlita → fina, depois bainita, depois martensita conforme aumenta a taxa. - Tradução prática das ordens de grandeza: poucas décimas
(resfriamento lento) → perlita grosseira; alguns → perlita fina; dezenas de → bainita/martensita transição; centenas de → martensita praticamente total. - Se pedirem justificativa, cite CCT/TTT, nariz de transformação e
.
Resposta
- Ferrita proeutetoide + perlita grosseira.
- Ferrita proeutetoide + perlita fina (talvez pequena fração de bainita dependendo do CCT real).
- Mistura de bainita e martensita (tendência crescente para martensita).
- Predominantemente martensita (podendo conter pequena fração de bainita residual).
- Praticamente martensita (possível retenção de austenita em pequena fração).