Explique com detalhes a transformação martensítica destacando o tipo de transformação, a estrutura cristalina, a composição química, o efeito do carbono, o efeito da adição de elementos de liga, a dureza, a tenacidade, a morfologia hierárquica e etc.

Passo 1

O enunciado pede uma explicação detalhada da transformação martensítica em ligas ferro-carbono e de aço, abrangendo o tipo de transformação, mudanças na estrutura cristalina, papel do carbono, influência de elementos de liga, propriedades mecânicas (dureza e tenacidade) e a morfologia hierárquica resultante. Vamos usar conceitos de metalurgia física, cristalografia e termodinâmica de fases.

Passo 2

Definimos o tipo de transformação: a transformação martensítica é uma mudança de fase difusão--independente (diffusionless), do tipo “displacive” ou por cisalhamento rápido da rede. Ocorre quando a austenita ( gamma, fcc) é resfriada rapidamente abaixo da temperatura de início Ms, sem tempo para difusão de átomos de carbono.

Passo 3

Descrevemos a estrutura cristalina:
1. Austenita ( gamma) tem estrutura cubic face centered (fcc).
2. Martensita ( alpha') resulta de um alongamento e cisalhamento da rede fcc, ficando body centered tetragonal (bct).
3. A tetragonalidade advém do aprisionamento de carbono em posições intersticiais, distendendo preferentialmente o eixo c da célula.

Passo 4

Analisamos a composição química:
1. Sistema básico Fe-- C com até sim2,14,wt% de carbono.
2. Carbono é não--metal e se dissolve intersticialmente nos sítios octaédricos da fcc.
3. Concentrações típicas em aços para formação de martensita: 0,2 a 1,2,wt% de carbono.

Passo 5

Efeito do carbono na transformação e na estrutura:
1. Aumenta a tetragonalidade ( c/a>1).
2. Diminui as temperaturas de início e fim ( Ms e Mf), exigindo maior super--resfriamento.
3. Eleva fortemente a dureza por impedimento de movimentação de discordâncias, mas reduz a tenacidade bruta.

Passo 6

Influência de elementos de liga:
1. Elementos austenitizantes (p.ex. Ni, Mn) deslocam Ms e Mf para temperaturas mais baixas e estabilizam austenita.
2. Elementos carbidogênicos (Cr, Mo, V, W) retardam difusão de carbono e refinam martensita, melhorando resistência ao desgaste.
3. Carbono combinado com Mo/Cr permite tratamento térmico (tempering) para ajuste fino de dureza versus tenacidade.

Passo 7

Propriedades mecânicas—dureza e tenacidade:
1. Dureza de martensita não-temperada: até HRCapprox65 em aços de alto carbono.
2. Tem alto esforço de escoamento e resistência à tração, mas tenacidade baixa (frágil).
3. O revenimento (temperatura intermediária) reduz tensões internas, melhora ductilidade e tenacidade à custa de certa queda de dureza.

Passo 8

Morfologia hierárquica:
1. Nível 1—grao de austenita original, tipicamente 10 100,mum.
2. Nível 2—pacotes de martensita formados dentro de cada grão de austenita.
3. Nível 3—blocos ou “packets” subdivididos em laths (bastonetes) de espessura 0,1 1,mum.
4. A morfologia em laths favorece a resistência ao impacto nos aços refinados e reduz trajetórias de propagação de trincas.

Passo 9

Outras considerações importantes:
1. Retained austenite pode permanecer no interior de martensita muito rica em carbono, afetando ductilidade.
2. A cinética é controlada pela estabilidade da austenita e pela taxa de resfriamento; rápida para difusão-controlada não ocorrer.
3. Fórmulas empíricas para Ms (em circC) incluem
Ms = 539 - 423,C - 30,4,Mn - 17,7,Ni - dots
4. Temperaturas de revenimento ( 150 700circC) definem a microestrutura pós-martensítica.

Resposta

A transformação martensítica é difusão--independente e displacive, convertendo austenita fcc em martensita bct devido ao aprisionamento rápido de carbono. O teor de carbono controla a tetragonalidade, a temperatura de transformação e a dureza (até HRCsim65), enquanto elementos de liga ajustam Ms, refinam pacotes e permitem revenimentos que equilibram dureza e tenacidade. A microestrutura hierárquica (graus--pacotes--laths) explica a combinação de alta resistência e tenacidade nos aços modernos.

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