A relação entre o conteúdo de carbono e a formação martensita em aços apagados
Introdução: O papel crítico do carbono no endurecimento do aço
O aço continua a ser a liga de engenharia mais utilizada, e suas propriedades mecânicas são fundamentalmente controladas pelo tratamento térmico. Entre os vários processos de tratamento térmico, o quenching – resfriamento rápido da fase austenita – produz martensita, uma microestrutura que confere dureza e resistência excepcionais. O teor de carbono do aço é o único fator mais influente que governa a formação de martensita, sua estrutura final e as propriedades resultantes.Este artigo fornece uma exploração técnica abrangente da relação entre o teor de carbono e a martensita em aços saciados, abrangendo mecanismos de transformação, comportamento mecânico e considerações práticas de fabricação.
Fundamentos da Formação Martensita
Martensita é uma fase metaestável formada por uma transformação sem difusão, orientada por cisalhamento, da austenita cúbica centrada na face (FCC) para uma estrutura tetragonal centrada no corpo (BCT). A rápida atenuação (taxas de arrefecimento na ordem de 100°C/s para 1000°C/s, dependendo do teor de carbono) suprime a difusão dos átomos de carbono, prendendo- os em locais intersticiais da rede de ferro. Esta supersaturação do carbono distorce a rede cúbica para uma tetragonal, com a relação c/a aumentando linearmente com o teor de carbono. A transformação ocorre de forma termal – a fração de martensita depende apenas da temperatura abaixo da temperatura de início (Ms), não no tempo.
As principais características da martensita incluem a morfologia acicular (agulheta-like), alta densidade de deslocamento e uma subestrutura fina de gêmeos ou laths. A morfologia em si depende do teor de carbono: aços de baixo carbono (abaixo de 0,4% C) tendem a formar martensita de lath com placas paralelas, enquanto aços de alto carbono (acima de 0,6% C) produzem martensita de placa com um padrão característico de zigzag. Essas diferenças se relacionam diretamente com a deformação de transformação e a capacidade da austenita para acomodar a deformação de cisalhamento.
Como o conteúdo de carbono governa a transformação martensita
Carbono como elemento de liga intersticial
Os átomos de carbono ocupam locais intersticiais octaédricos dentro da rede de austenita FCC. Durante a extinção, o carbono não pode se difundir suficientemente rápido para formar cimenterita (Fe3C) ou outros carbonetos; em vez disso, permanece preso, impondo uma distorção tetragonal grave. O grau de tetragonidade (taxa c/a) aumenta de cerca de 1,0 a 0%C para aproximadamente 1,08 a 1,2%C. Esta distorção é responsável pela extrema dureza da martensita.
A relação entre o teor de carbono e a temperatura de Ms é crítica e bem estabelecida: cada aumento de 0,1% no carbono reduz Ms em aproximadamente 30-40°C. Fórmulas empíricas como a equação de Andrews dão:
Ms (°C) = 539 – 423(%C) – 30,4(%Mn) – 17,7(%Ni) – 12,1(%Cr) – 7,5(%Mo) + ...
Assim, um aço carbono simples com 0,8%C tem uma Ms em torno de 200°C, enquanto um aço 0,2%C tem Ms perto de 500°C. A temperatura de acabamento martensita (Mf) é tipicamente 200-250°C abaixo Ms, embora em aços de alto carbono Mf pode cair abaixo da temperatura ambiente, levando a austenita retida.
Taxa de resfriamento crítica e endurecimento
Para formar martensita, a taxa de resfriamento deve exceder a taxa de resfriamento crítica (CCR) – a taxa mínima que evita transformações de difusão para perolite ou bainite. O teor de carbono influencia fortemente o CCR. O carbono mais alto desloca o nariz de perolite do diagrama de transformação de resfriamento contínuo (CCT) para tempos mais longos, facilitando a obtenção de martensita completa com quenches mais lentos (por exemplo, óleo em vez de água). No entanto, muito alto carbono (acima de 0,8%) pode realmente aumentar o CCR devido à necessidade de evitar precipitação de cementita. Elementos de liga como manganês, cromo, níquel e molibdênio, deslocam ainda mais as curvas CCT e são frequentemente usados para reduzir a taxa de resfriamento necessária.
| Carbon Content (wt%) | Typical Ms (°C) | Hardenability | Preferred Quenchant |
|---|---|---|---|
| 0.05 – 0.25 | 450 – 500 | Low | Water |
| 0.30 – 0.50 | 350 – 450 | Moderate | Water (small sections) or oil |
| 0.60 – 0.80 | 200 – 350 | High | Oil or polymer |
| 0.90 – 1.20 | 100 – 200 | Very high | Oil or martempering |
Nota: As adições de liga podem alterar substancialmente estas gamas. Para mais detalhes, ver Recursos de tratamento térmico da ASM International.
Conteúdo de carbono e propriedades mecânicas da martensita
Dureza e força
A dureza martensita, com acabamento em carbono, é aproximadamente linear com teor de carbono de até cerca de 0,8%C. Uma equação clássica é:
Hardness (HRC) . 60√(%C) + 20 (para o teor de carbono até .8%)[
Assim, a 0,2%C de dureza é de cerca de 47 HRC; a 0,8%C atinge cerca de 67 HRC. Além de 0,8%C, a dureza platôs porque o carbono adicional permanece em solução, mas a tetragonalidade crescente leva ao microcracking e austenita retida. A resistência à tração aumenta de cerca de 1.000 MPa para uma martensita 0,2%C para mais de 2.500 MPa para a martensita de alto carbono.
Dutilidade e dureza
A martensita é inerentemente frágil devido à sua estrutura supersaturada, altas tensões internas e à presença de regiões geminadas (especialmente em aços de alto carbono). O alongamento a quedas de fratura de ~10-15% em martensita de baixo carbono para menos de 1% em martensita de placa de alto carbono. A dureza do impacto também cai, tornando a martensita de alto carbono não temperada quase inutilizável. Este trade-off força um passo temperante para restaurar alguma ductilidade em detrimento da dureza.
Austenite Retida
O alto teor de carbono estabiliza a austenita para temperaturas mais baixas, o que significa que a temperatura Mf pode cair abaixo do ambiente. Como resultado, uma fração de austenita permanece não transformada após a quenchagem. Por exemplo, um aço 1,0%C pode reter austenita 10-30%. Esta fase mais suave pode reduzir a dureza geral e causar instabilidade dimensional. Tratamentos subzero subsequentes (processamento criogênico) ou ciclos de temperamento múltiplos são usados para converter austenita retida em martensita. No entanto, uma pequena quantidade de austenita retida (5-10%) pode melhorar a resistência em algumas aplicações, como aços de ferramentas. Mais sobre isso está disponível na visão geral de materiais de engenharia [FLT: 0].
Implicações Práticas de Processamento
Seleção do Meio de Eliminação
- Aços de baixo carbono (0,02-0,3% C): Requer refrigeração rápida (por exemplo, salmoura gelada ou água) para atingir o CCR; mesmo assim, martensita completa só pode ser alcançado em secções finas. Muitas vezes, estes são usados para carburação para aumentar o carbono superficial.
- Aço de médio carbono (0,3-0,6% C):]A extinção da água é comum, mas o óleo pode ser usado para ligas com maior resistência.A temperação é essencial para obter propriedades equilibradas para componentes estruturais, como eixos e engrenagens.
- Açoes de alto carbono (0,6-1,2% C):]A extinção do óleo é típica para evitar rachaduras de choque térmico.A martemperagem (variantes de austemperação) ajuda a reduzir a distorção.Usado para ferramentas de corte, matrizes, rolamentos e molas.
Resposta Temperante
Martensita temperante causa precipitação de carbonetos de transição (ε-carbide em carbono inferior, cimenterite em carbono superior), recuperação de deslocamentos, e redução de tensões residuais. A queda de dureza como-saturada durante a temperação é mais íngreme para aços de carbono mais elevados, porque o carbono mais supersaturado está disponível para formar carbonetos. No entanto, o endurecimento secundário ocorre em aços de liga contendo fortes carbonetos como Cr, Mo, V (por exemplo, H13 ferramenta de aço) quando temperando na gama de 500-600 °C. Aços de ferramenta de alto carbono muitas vezes exigem vários temperamentos para transformar austenita retida e estabilizar dimensões.
Elementos de liga e sua interação com o carbono
A adição de elementos de liga modifica a transformação da martensita de várias maneiras:
- Nickel e Manganês: Baixa temperatura, aumentando a tendência para manter a austenita.
- Crômio e Molibdênio:] Melhorar a endurecimento, permitindo o extinguimento de óleo para aços de alto carbono. Eles também promovem a formação de carboneto durante o temperamento.
- Vanadium e Titanium: Formar carbonetos finos que pinos limites de grãos e refinam tamanho do pacote martensita.
- Silicon:] Retarda suavizando durante o temperamento, benéfico para aços de mola.
Para uma discussão aprofundada sobre os efeitos da liga, consulte o artigo sobre a endibilidade Total Materia.
Escolher o conteúdo de carbono certo para aplicações
Engenheiros adaptar o conteúdo de carbono para atender aos requisitos de serviço:
- Baixo carbono (0,05-0,25% C) – Aços de enduramento de caixa: O núcleo permanece resistente; a superfície é carburada a 0,8-1,0%C e apagada para produzir uma caixa resistente ao desgaste. Exemplos: engrenagens carburadas, camshafts, estampagens.
- Carvão médio (0,3-0,5% C) – Aços temperados e apagados: Oferecer resistência, resistência e resistência à fadiga para eixos, hastes de ligação, parafusos e peças de máquinas.
- Alto carbono (0,6-1,2% C) – Aços resistentes ao desgaste e ferramentas: Fornecer dureza máxima após o mitigação e temperamento, embora com alívio de estresse cuidadoso. Usado para matrizes, facas, lâminas, ferramentas de conformação a frio, e fios de mola.
- Ultra-carvão alto (1,2-2,0% C) – Aplicações especiais: Raramente utilizado devido a extrema fragilidade; pode ser processado através de metalurgia do pó ou tratamentos térmicos especializados para componentes de alto desgaste.
Conclusão
O teor de carbono do aço é a variável mestre que controla a formação de martensita, sua estrutura cristalina e as propriedades mecânicas que se seguem. Da mudança da temperatura e da taxa de resfriamento crítico Ms para dureza, ductilidade e austenita retida, o papel do carbono é fundamental para os tratadores de calor e engenheiros de projeto. Ao entender a interação entre carbono, elementos de liga e parâmetros de extinção, os fabricantes podem consistentemente fornecer aços com desempenho otimizado – seja o objetivo a dureza afiada para uma lâmina, resistência à fadiga para uma engrenagem automotiva ou resistência ao impacto para uma ferramenta de mineração. Controle dinâmico do conteúdo de carbono, combinado com práticas adequadas de atenuação e temperamento, continua a ser a chave para desbloquear todo o potencial de aços martensíticos.
Para mais informações sobre as técnicas modernas de tratamento térmico, ver Biblioteca técnica da revista Industrial Heating e normas relevantes da ASTM International.