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 (
, fcc) é resfriada rapidamente abaixo da temperatura de início
, sem tempo para difusão de átomos de carbono.
Passo 3
Descrevemos a estrutura cristalina:
. Austenita (
) tem estrutura cubic face centered (fcc).
. Martensita (
) resulta de um alongamento e cisalhamento da rede fcc, ficando body centered tetragonal (bct).
. A tetragonalidade advém do aprisionamento de carbono em posições intersticiais, distendendo preferentialmente o eixo
da célula.
Passo 4
Analisamos a composição química:
. Sistema básico
--
com até
de carbono.
. Carbono é não--metal e se dissolve intersticialmente nos sítios octaédricos da fcc.
. Concentrações típicas em aços para formação de martensita:
a
de carbono.
Passo 5
Efeito do carbono na transformação e na estrutura:
. Aumenta a tetragonalidade (
).
. Diminui as temperaturas de início e fim (
e
), exigindo maior super--resfriamento.
. Eleva fortemente a dureza por impedimento de movimentação de discordâncias, mas reduz a tenacidade bruta.
Passo 6
Influência de elementos de liga:
. Elementos austenitizantes (p.ex. Ni, Mn) deslocam
e
para temperaturas mais baixas e estabilizam austenita.
. Elementos carbidogênicos (Cr, Mo, V, W) retardam difusão de carbono e refinam martensita, melhorando resistência ao desgaste.
. Carbono combinado com Mo/Cr permite tratamento térmico (tempering) para ajuste fino de dureza versus tenacidade.
Passo 7
Propriedades mecânicas—dureza e tenacidade:
. Dureza de martensita não-temperada: até
em aços de alto carbono.
. Tem alto esforço de escoamento e resistência à tração, mas tenacidade baixa (frágil).
. O revenimento (temperatura intermediária) reduz tensões internas, melhora ductilidade e tenacidade à custa de certa queda de dureza.
Passo 8
Morfologia hierárquica:
. Nível
—grao de austenita original, tipicamente
–
.
. Nível
—pacotes de martensita formados dentro de cada grão de austenita.
. Nível
—blocos ou “packets” subdivididos em laths (bastonetes) de espessura
–
.
. A morfologia em laths favorece a resistência ao impacto nos aços refinados e reduz trajetórias de propagação de trincas.
Passo 9
Outras considerações importantes:
. Retained austenite pode permanecer no interior de martensita muito rica em carbono, afetando ductilidade.
. A cinética é controlada pela estabilidade da austenita e pela taxa de resfriamento; rápida para difusão-controlada não ocorrer.
. Fórmulas empíricas para
(em
C) incluem
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
), enquanto elementos de liga ajustam
, 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.