Um corpo de prova de aço 1045 é tratado do seguinte modo:
Aquecido a 845^{\circ} \mathrm{C}, resfriado bruscamente a 600^{\circ} \mathrm{C}, deixado nesta temperatura por 5 segundos e então resfriado rapidamente a 400^{\circ} \mathrm{C} e mantido por 30 segundos. Que fases estarão presentes após este tratamento?

Passo 1

O enunciado dá o seguinte tratamento térmico a um corpo de prova de aço 1045:
aquecido a \,845^\circ\mathrm{C}\,, resfriado bruscamente até \,600^\circ\mathrm{C}\,, mantido por \,5\\ \mathrm{s}\,, em seguida resfriado rapidamente até \,400^\circ\mathrm{C}\, e mantido por \,30\\ \mathrm{s}\,.
O que se pede: determinar quais fases estarão presentes após esse tratamento (isto é, qual será a microestrutura final, supondo resfriamento até temperatura ambiente após as etapas descritas).

Passo 2

Vamos identificar as informações relevantes e o que cada temperatura/tempo costuma provocar:
  • O aço 1045 tem carbono aproximadamente \,0{,}45\% (médio teor de carbono). Isso determina que a estrutura austenítica ( \gamma) pode transformar-se em perlita, bainita ou martensita dependendo da temperatura e do tempo.
  • Aquecer a \,845^\circ\mathrm{C}\, é um aquecimento acima da temperatura de austenitização para esse aço: portanto, antes do resfriamento a peça estará essencialmente em austenita homogênea (supersaturada de C).
  • As transformações seguintes dependem fortemente da cinética (tempo) e da temperatura: pearlite (perlita) forma por difusão a temperaturas mais altas (por exemplo em torno de \sim600^\circ\mathrm{C}), bainita forma numa faixa intermediária mais baixa (tipicamente \sim250 \sim500^\circ\mathrm{C}, com upper bainite por volta de \sim350 \sim450^\circ\mathrm{C}) e martensita é uma transformação à base de esforço (não difusional) que ocorre ao se atravessar a temperatura de início de martensita, M_s, durante o resfriamento rápido para temperaturas baixas.
  • Pergunta-chave: os tempos de permanência ( \,5\\ \mathrm{s}\, a \,600^\circ\mathrm{C} e \,30\\ \mathrm{s}\, a \,400^\circ\mathrm{C}) são suficientes para que parte da austenita se transforme em perlita ou bainita nessas etapas, ou a maior parte permanece até o resfriamento abaixo de M_s?

Passo 3

Explicando os conceitos que usaremos (didático):
  • Austenita ( \gamma): solução sólida cúbica de Fe com C em posição intersticial, estável a altas temperaturas.
  • Perlita: microestrutura lamelar formada por ferrita mais carbonetos (cementita) que exige difusão de carbono; costuma formar a temperaturas relativamente altas (perto do “nariz” da curva TTT, por ex. \sim600^\circ\mathrm{C} para muitos aços).
  • Bainita: estrutura que aparece em temperaturas intermediárias; tem morfologia distinta (placas/agulhas) e forma em tempos menores que os da perlita a certas temperaturas mais baixas.
  • Martensita: transformação a baixo tempo (praticamente instantânea ao cruzar M_s) sem difusão, forma quando a temperatura cai abaixo de M_s; estrutura dura e tetragonal.
Importante: as curvas TTT (ou CCT) dizem quanto tempo leva para começar/terminar cada transformação a uma temperatura fixa. A posição do “nariz” da curva (tempo mínimo para iniciar perlita) e a posição das curvas de bainita determinam se, durante uma parada curta numa certa temperatura, vai haver transformação significativa ou não.

Passo 4

Estimativa da temperatura de início de martensita M_s para o aço 1045 (isso nos diz se a parada a \,400^\circ\mathrm{C}\, já gera martensita ou não).
Uma fórmula aproximada (apenas considerando o efeito do carbono para simplificar) é:
M_s \approx 561 - 474\cdot C\quad(\text{em }^\circ\mathrm{C}),
onde C é o teor de carbono em massa. Para C\approx0{,}45\% temos
M_s \approx 561 - 474\cdot0{,}45 = 561 - 213{,}3 = 347{,}7^\circ\mathrm{C}\approx348^\circ\mathrm{C}.
Interpretação: a formação de martensita começa quando a peça é resfriada abaixo de cerca de \,348^\circ\mathrm{C}. Portanto, a permanência a \,400^\circ\mathrm{C}\, (que é maior que M_s) NÃO produzirá martensita enquanto se mantiver a essa temperatura. Martensita só aparecerá se, após essa etapa, houver resfriamento abaixo de M_s.

Passo 5

Análise da parada em \,600^\circ\mathrm{C} por \,5\\ \mathrm{s}:
  • Na prática, a transformação \gamma\to perlita envolve difusão de carbono e tem um tempo de início que depende do aço. Para muitos aços médio-carbono a “imagem típica” das curvas TTT mostra que, embora a temperatura de \sim600^\circ\mathrm{C} seja favorável à formação de perlita, o tempo necessário para que apareça quantidade significativa de perlita costuma ser da ordem de dezenas a centenas de segundos (dependendo da composição e do detalhe do TTT). Um tempo de apenas \,5\\ \mathrm{s}\, é geralmente curto.
  • Conclusão didática: em \,5\\ \mathrm{s} a \,600^\circ\mathrm{C} espera-se que apenas uma fração muito pequena (praticamente desprezível) de austenita consiga transformar-se em perlita; a maior parte da austenita permanece metastável e será levada adiante para a etapa seguinte. (Se o enunciado desse uma curva TTT específica poderíamos afirmar numericamente, mas a conclusão qualitativa vale: \,5\\ \mathrm{s} é curto para perlita significativa.)

Passo 6

Análise da parada em \,400^\circ\mathrm{C} por \,30\\ \mathrm{s}:
  • A temperatura \,400^\circ\mathrm{C} situa-se na faixa onde costuma ocorrer formação de bainita (especialmente upper bainite em temperaturas mais próximas de \sim400^\circ\mathrm{C}). As curvas TTT mostram que, abaixo do nariz (temperaturas menores que onde a perlita nucleia mais rapidamente) a transformação para bainita pode ocorrer em tempos do mesmo ordem de grandeza de segundos a minutos.
  • Para um aço médio-carbono como 1045, um tempo de \,30\\ \mathrm{s} a \,400^\circ\mathrm{C} normalmente é suficiente para que uma fração significativa da austenita remanescente se transforme em bainita (particularmente upper bainite), embora não necessariamente para completar a transformação inteira — isso depende da curva TTT/CCT exata. Então, de forma razoável e prática, devemos esperar formação de bainita durante esses \,30\\ \mathrm{s}.
  • Observação importante: enquanto se mantém a \,400^\circ\mathrm{C} não há martensita porque \,400^\circ\mathrm{C}>M_s (veja Passo 4).

Passo 7

O que acontece quando, após a parada a \,400^\circ\mathrm{C} por \,30\\ \mathrm{s}, a peça é novamente resfriada até temperatura ambiente?
  • As porções de austenita que já se transformaram em bainita permanecerão bainíticas.
  • A porção de austenita que NÃO se transformou em bainita durante os \,30\\ \mathrm{s} a \,400^\circ\mathrm{C} será resfriada abaixo de M_s (aprox. \,348^\circ\mathrm{C}) e então se transformará em martensita durante o resfriamento final.
  • Pode permanecer uma pequena fração de austenita retida ( \text{austenita retida}) se o resfriamento final não for suficiente para transformar tudo abaixo de M_s, ou se a austenita for enriquecida em carbono por difusão durante as transformações (o que estabiliza austenita). Em muitos casos práticos, entretanto, a maior parte do austenito residual transforma-se em martensita ou fica como pequena fração retida.

Passo 8

Sumarizando tudo de forma direta e prática:
  • A permanência curta em \,600^\circ\mathrm{C} por \,5\\ \mathrm{s} não permite a formação significativa de perlita — a maior parte da austenita sobrevive até a etapa seguinte.
  • A permanência em \,400^\circ\mathrm{C} por \,30\\ \mathrm{s} permite transformação significativa de austenita em bainita (provavelmente upper bainite).
  • No resfriamento final até temperatura ambiente, a austenita restante transforma-se em martensita (pois M_s\approx348^\circ\mathrm{C} para C\approx0{,}45\%).
  • Pode haver uma pequena fração de austenita retida, mas perlita deverá ser praticamente ausente.

Resposta

Bainita e martensita (possivelmente pequena fração de austenita retida; perlita praticamente ausente).

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