Bainite - Bainite
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A bainita é uma microestrutura em forma de placa que se forma em aços a temperaturas de 125–550 ° C (dependendo do conteúdo da liga). Descrito pela primeira vez por ES Davenport e Edgar Bain , é um dos produtos que podem se formar quando a austenita (a estrutura de cristal cúbica centrada na face do ferro ) é resfriada até uma temperatura em que não é mais termodinamicamente estável em relação à ferrita, cementita, ou ferrita e cementita. Davenport e Bain originalmente descreveram a microestrutura como sendo semelhante em aparência à martensita temperada .
Uma estrutura fina não lamelar, a bainita geralmente consiste em cementita e ferrita rica em deslocamento . A grande densidade de deslocamentos na ferrita presente na bainita e o tamanho fino das plaquetas de bainita tornam essa ferrita mais dura do que normalmente seria.
A faixa de temperatura para a transformação de austenita em bainita (125–550 ° C) está entre a perlita e a martensita. Na verdade, não há limite inferior fundamental para a temperatura inicial da bainita. Quando formada durante o resfriamento contínuo, a taxa de resfriamento para formar a bainita é mais rápida do que a necessária para formar a perlita, mas menos rápida do que a necessária para formar a martensita (em aços da mesma composição). A maioria dos elementos de liga retardará a formação de bainita, embora o carbono seja o mais eficaz para isso. Alumínio ou cobalto são exceções, pois podem acelerar a decomposição da austenita e elevar a temperatura de transformação.
As microestruturas da martensita e da bainita inicialmente parecem bastante semelhantes, consistindo em placas finas que, nos aços de baixa liga, se aglomeram. Isso é uma consequência das duas microestruturas compartilharem muitos aspectos de seus mecanismos de transformação. No entanto, existem diferenças morfológicas que requerem um microscópio eletrônico de transmissão para ver. Sob um microscópio de luz , a microestrutura da bainita parece mais escura do que a martensita não temperada porque a bainita tem mais subestrutura.
A dureza da bainita pode estar entre a da perlita e a da martensita não temperada na mesma dureza do aço . O fato de poder ser produzido durante o resfriamento isotérmico ou contínuo é uma grande vantagem, pois facilita a produção de grandes componentes sem adições excessivas de elementos de liga. Ao contrário dos aços martensíticos, as ligas à base de bainita muitas vezes não precisam de tratamento térmico adicional após a transformação para otimizar a resistência e a tenacidade.
História
Na década de 1920, Davenport e Bain descobriram uma nova microestrutura de aço que eles chamaram provisoriamente de martensita-troostita, por ser intermediária entre a já conhecida fase de martensita de baixa temperatura e o que era então conhecido como troostita (agora perlita fina ). Essa microestrutura foi posteriormente chamada de bainita pelos colegas de Bain na United States Steel Corporation, embora tenha demorado algum tempo para que o nome fosse adotado pela comunidade científica, com livros até 1947 sem mencionar a bainita pelo nome. Bain e Davenport também notaram a existência de duas formas distintas: bainita de 'faixa superior' que se formou em temperaturas mais altas e bainita de 'faixa inferior' que se formou perto da temperatura inicial da martensita (essas formas são agora conhecidas como bainita superior e inferior respectivamente). A terminologia inicial foi ainda confundida pela sobreposição, em algumas ligas, da faixa inferior da reação da perlita e da faixa superior da bainita com a possibilidade adicional de ferrita proeutetóide.
Formação
Acima de aproximadamente 900 ° C, um aço de baixo carbono típico é composto inteiramente de austenita , uma fase de alta temperatura do ferro que possui uma estrutura cristalina cúbica compactada. No resfriamento, tende a se transformar em uma mistura de fases, ferrita e cementita, dependendo da composição química exata. Um aço de composição eutetóide sob condições de equilíbrio se transforma em perlita - uma mistura intercalada de ferrita e cementita (Fe 3 C) . Além das considerações termodinâmicas indicadas pelo diagrama de fase, as transformações de fase no aço são fortemente influenciadas pela cinética química . Isso ocorre porque a difusão dos átomos de ferro torna-se difícil abaixo de cerca de 600 ° C em condições de processamento típicas. Como consequência, um complexo arranjo de microestruturas ocorre quando a mobilidade atômica é limitada. Isso leva à complexidade das microestruturas de aço, que são fortemente influenciadas pela taxa de resfriamento. Isso pode ser ilustrado por um diagrama de transformação de resfriamento contínuo (CCT) que traça o tempo necessário para formar uma fase quando uma amostra é resfriada a uma taxa específica, mostrando assim regiões no espaço de tempo-temperatura a partir do qual as frações de fase esperadas podem ser deduzidas para um dado ciclo térmico.
Se o aço for resfriado lentamente ou transformado isotermicamente a temperaturas elevadas, a microestrutura obtida ficará mais próxima do equilíbrio, contendo por exemplo ferrita alotriomórfica, cementita e perlita. No entanto, a transformação de austenita em perlita é uma reação reconstrutiva dependente do tempo que requer o movimento em grande escala dos átomos de ferro e carbono. Enquanto o carbono intersticial se difunde facilmente mesmo em temperaturas moderadas, a autodifusão do ferro torna-se extremamente lenta em temperaturas abaixo de 600 ° C até que, para todos os fins práticos, ela pare. Como consequência, um aço resfriado rapidamente pode atingir uma temperatura em que a perlita não pode mais se formar, apesar de a reação ser incompleta e a austenita remanescente ser termodinamicamente instável.
A austenita que é resfriada suficientemente rapidamente para evitar transformações de temperatura mais altas, pode formar martensita , sem qualquer difusão de ferro ou carbono, pela deformação da estrutura de cristal centrada na face da austenita em uma estrutura tetragonal centrada no corpo distorcida ou estrutura cúbica centrada no corpo. Esta fase de não equilíbrio só pode se formar em baixas temperaturas, onde a força motriz para a reação é suficiente para superar a considerável tensão de rede imposta pela transformação. A transformação é essencialmente independente do tempo, com a fração de fase dependendo apenas do grau de resfriamento abaixo da temperatura inicial de martensita crítica. Além disso, ocorre sem a difusão de átomos substitucionais ou intersticiais e, portanto, a martensita herda a composição da austenita original.
A bainita ocupa uma região entre esses dois processos em uma faixa de temperatura onde a autodifusão do ferro é limitada, mas não há força motriz suficiente para formar martensita. A bainita, como a martensita, cresce sem difusão, mas parte do carbono então se divide em qualquer austenita residual ou precipita como cementita. Uma outra distinção é freqüentemente feita entre a chamada bainita inferior, que se forma em temperaturas mais próximas da temperatura inicial da martensita, e a bainita superior, que se forma em temperaturas mais altas. Esta distinção surge das taxas de difusão do carbono na temperatura em que a bainita está se formando. Se a temperatura for alta, o carbono se difundirá rapidamente para longe da ferrita recém-formada e formará carbonetos na austenita residual enriquecida com carbono entre as placas ferríticas, deixando-as livres de carbonetos. Em baixas temperaturas, o carbono se difunde mais lentamente e pode precipitar antes de deixar a ferrita bainítica. Há alguma controvérsia sobre as especificações do mecanismo de transformação da bainita; ambas as teorias são representadas abaixo.
Teoria deslociva
Uma das teorias sobre o mecanismo de formação específico da bainita é que ela ocorre por uma transformação de cisalhamento, como na martensita. A mudança na estrutura do cristal é conseguida por uma deformação e não por difusão. A mudança de forma associada à bainita é uma deformação plana invariante com um grande componente de cisalhamento. Este tipo de deformação implica um movimento disciplinado dos átomos (em vez de uma transferência caótica associada à difusão) e é típico de todas as transformações deslocáveis em aços, por exemplo, martensita, bainita e ferrita Widmanstaetten. Existe uma energia de deformação associada a tal relevo, que leva à forma de placa do produto de transformação. Qualquer difusão é subsequente à transformação sem difusão da austenita, por exemplo, a partição de carbono da ferrita bainítica supersaturada ou a precipitação de carbonetos; isso é análogo ao revenido da martensita.
Existem muitas características da bainita que são previstas corretamente por esta teoria, incluindo:
- a forma da placa, que é uma consequência da minimização da energia de deformação devido à deformação da forma que acompanha a transformação.
- O fato de que o excesso de carbono é retido dentro das regiões sem defeitos da ferrita bainítica.
- O fato de que a célula unitária da ferrita bainítica pode ser tetragonal em vez de cúbica.
- O fato de que a transformação da bainita pode ser dramaticamente retardada quando a austenita é deformada plasticamente pela primeira vez, um fenômeno conhecido como estabilização mecânica, que é exclusivo das transformações deslocivas.
- O fato óbvio de que os deslocamentos ocorrem quando a bainita cresce. A transformação é uma combinação de deformação e mudança na estrutura do cristal, assim como a martensita.
Teoria difusiva
A teoria difusiva do processo de transformação da bainita é baseada na suposição de que uma placa de ferrita bainítica cresce com um mecanismo semelhante ao da ferrita Widmanstätten em temperaturas mais altas. Sua taxa de crescimento, portanto, depende de quão rapidamente o carbono pode se difundir da ferrita em crescimento para a austenita. Um equívoco comum é que esse mecanismo exclui a possibilidade de interfaces coerentes e um relevo de superfície. Na verdade, é aceito por alguns que a formação de ferrita Widmanstätten é controlada pela difusão de carbono e mostra um relevo de superfície semelhante.
Morfologia
Normalmente a bainita se manifesta como agregados, denominados feixes , de placas de ferrita ( subunidades ) separadas por austenita retida, martensita ou cementita. Embora as subunidades pareçam separadas quando vistas em uma seção bidimensional, elas estão, na verdade, interconectadas em três dimensões e geralmente assumem uma placa lenticular ou morfologia de ripa. As próprias polias são em forma de cunha com a extremidade mais espessa associada ao local de nucleação.
A espessura das placas ferríticas aumenta com a temperatura de transformação. Modelos de redes neurais indicaram que este não é um efeito direto da temperatura em si, mas sim um resultado da dependência da temperatura da força motriz para a reação e da força da austenita ao redor das placas. Em temperaturas mais altas e, portanto, com baixo resfriamento, a força motriz termodinâmica reduzida causa uma diminuição na taxa de nucleação, o que permite que as placas individuais cresçam antes de se chocarem fisicamente. Além disso, o crescimento das placas deve ser acomodado pelo fluxo de plástico na austenita circundante, o que é difícil se a austenita for forte e resistir ao crescimento da placa.
Bainita superior
A "bainita superior" forma-se em torno de 400–550 ° C nos feixes. Esses feixes contêm várias ripas de ferrita que são aproximadamente paralelas entre si e que exibem uma relação Kurdjumov-Sachs com a austenita circundante, embora essa relação se degrade conforme a temperatura de transformação é reduzida. A ferrita nesses feixes tem uma concentração de carbono abaixo de 0,03%, resultando em austenita rica em carbono ao redor das ripas.
A quantidade de cementita que se forma entre as ripas é baseada no teor de carbono do aço. Para um aço de baixo carbono, normalmente "longarinas" descontínuas ou pequenas partículas de cementita estarão presentes entre as ripas. Para aço com maior teor de carbono, as longarinas tornam-se contínuas ao longo do comprimento das ripas adjacentes.
Bainita inferior
A bainita inferior forma-se entre 250 e 400 ° C e assume uma forma mais semelhante a uma placa do que a bainita superior. Não há tantos limites de ângulo baixo entre ripas na bainita inferior. Na bainita inferior, o plano de hábito na ferrita também mudará de <111> para <110> conforme a temperatura de transformação diminui. Na bainita inferior, a cementita nucleada na interface entre a ferrita e a austenita .
Transformação incompleta
No presente contexto, "transformação incompleta" refere-se ao fato de que, na ausência de precipitação de carboneto, a reação da bainita para bem antes de a austenita atingir seu equilíbrio ou composição química de paraequilíbrio. Ele para no ponto em que as energias livres da austenita e da ferrita de composição idêntica se tornam as mesmas, ou seja, a transformação sem uma mudança na composição química das fases participantes torna-se termodinamicamente impossível.
As primeiras pesquisas com bainita descobriram que, em uma dada temperatura, apenas uma determinada fração de volume da austenita se transformaria em bainita, com o restante se decompondo em perlita após um longo atraso. Este foi o caso apesar do fato de que uma transformação completa de austenita em perlita poderia ser alcançada em temperaturas mais altas, onde a austenita era mais estável. A fração de bainita que poderia se formar aumentou conforme a temperatura diminuía. Em última análise, isso foi explicado pelo fato de que, quando a ferrita bainítica se formou, o carbono supersaturado seria expelido para a austenita circundante, estabilizando-a termodinamicamente contra transformação posterior.
Diferença entre martensita e bainita
A bainita pode ser considerada essencialmente como martensita que tempera durante o curso da transformação. Forma-se a uma temperatura mais elevada do que a martensite e mesmo esta última pode autotemper. Como a temperatura de transformação é mais alta, a própria austenita é mecanicamente fraca, de modo que a deformação da forma devido à bainita é relaxada pela deformação plástica da austenita adjacente. Como consequência, a placa em crescimento de bainita é confrontada por uma floresta de deslocamentos que eventualmente termina seu crescimento antes mesmo de a placa atingir o limite de grão de austenita. As placas de bainita podem, portanto, ser menores do que as de martensita no mesmo aço. A transformação então prossegue por um mecanismo de subunidade envolvendo a nucleação sucessiva de novas placas.
Formulários
Com o aumento do teor de bainita no aço, a dureza, o escoamento e a resistência à tração permanecem quase constantes para o teor de bainita de até 50%, e então aumentam em ca. 30%. Conseqüentemente, eixos e placas de um metro de aços de alta bainita foram produzidos comercialmente em massa pela Rolls-Royce Holdings e pela Tata Steel .