Temperaturas e fases da transformação do aço

O que as temperaturas de transformação realmente significam

Uma temperatura de transformação do aço não é um número universal impresso ao lado de uma classificação. Ela é um limite ou evento observado que depende da composição, do histórico térmico, do tamanho do corpo de prova, da taxa de aquecimento ou resfriamento e do mecanismo pelo qual uma estrutura se transforma em outra. A temperatura citada pode descrever o equilíbrio, o início de uma reação durante o aquecimento, o início de uma reação durante o resfriamento ou o ponto em que uma determinada medição detecta uma mudança. Esses são valores relacionados, mas não são intercambiáveis.

Uma fase é uma estrutura fisicamente distinta, com um arranjo cristalino definido e uma faixa de composição específica. No aço, a austenita (γ) possui estrutura cúbica de face centrada, a ferrita (α) possui estrutura cúbica de corpo centrado, e a cementita é Fe₃C ortorrômbico, conforme descrito pela University of Cambridge em Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Um constituinte é um agrupamento microestrutural que pode conter mais de uma fase. A perlita, por exemplo, é um constituinte formado por ferrita e cementita. Um produto de transformação é a estrutura formada a partir da fase-mãe: perlita, bainita, martensita, ferrita proeutetoide e cementita proeutetoide são os principais produtos identificados no tratamento das transformações da austenita pela ASM.

Temperatura (°C)

A distinção é importante porque uma temperatura pode marcar o desaparecimento de uma fase sem identificar o constituinte final. Com aproximadamente 0,8% em peso de carbono e a 723 °C, a austenita sofre a reação eutetoide γ → α + Fe₃C, de acordo com o material sobre Fe–C da University of Cambridge de 2002. Essa equação estabelece os produtos de equilíbrio, ferrita e cementita. Ela não significa que todo aço contendo aproximadamente 0,8% de carbono forme a mesma estrutura exatamente a 723 °C durante um ciclo real de forno.

Limites de equilíbrio versus temperaturas críticas práticas

A notação de equilíbrio descreve o que é termodinamicamente estável quando o sistema dispõe de tempo suficiente para se aproximar do equilíbrio. Ae1 é a temperatura eutetoide de equilíbrio: o limite no qual a austenita e a mistura de ferrita mais cementita podem coexistir sob a composição e a pressão especificadas. Ae3 é o limite superior de equilíbrio para a austenita em um aço hipoeutetoide, separando a austenita do campo de austenita mais ferrita. Aecm é o limite superior correspondente para um aço hipereutetoide, separando a austenita do campo de austenita mais cementita. O subscrito “e” indica equilíbrio.

No resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de resfriamento. Strong evidence

As temperaturas operacionais normalmente são escritas com uma notação diferente. Ac1 e Ac3 referem-se às temperaturas de transformação observadas durante o aquecimento; Ar1 e Ar3 referem-se às observadas durante o resfriamento. As letras “c” e “r” indicam condições de aquecimento e resfriamento, e não novas fases de equilíbrio. Durante o aquecimento, a austenita pode não começar a se formar até que o material ultrapasse Ae1, porque a nucleação e a difusão exigem tempo. Durante o resfriamento, a ferrita, a perlita ou a cementita podem não aparecer até que o aço esteja abaixo do limite de equilíbrio, pois a reação requer sub-resfriamento. A ASM International relata que, para resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores de resfriamento (2024). Essa diferença é histerese, não um erro no diagrama de fases.

A composição também desloca esses limites. O carbono altera a estabilidade da austenita e as temperaturas nas quais ferrita, perlita, cementita e martensita podem se formar. Os elementos de liga deslocam os limites e alteram as taxas de reação; o silício, por exemplo, eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. A referência do ferro puro já depende da temperatura: a University of Cambridge situa a austenita cúbica de face centrada aproximadamente entre 910 e 1400 °C e a temperatura de fusão em aproximadamente 1539 °C (2005). Portanto, uma classificação de aço não pode simplesmente herdar do ferro puro uma única “temperatura de austenitização” fixa.

Aquecimento, resfriamento, manutenção isotérmica e resfriamento contínuo

Aquecimento, resfriamento e manutenção isotérmica produzem perguntas diferentes. Durante o aquecimento, a questão é quando a ferrita e a cementita se dissolvem suficientemente para que a austenita se forme. O atraso térmico significa que a temperatura do forno, a temperatura da superfície e a temperatura do núcleo de um componente espesso podem diferir substancialmente. A leitura de um pirômetro pode ultrapassar Ac1 enquanto o centro ainda não o fez. O tamanho da seção, portanto, altera o percurso térmico efetivo, mesmo quando o ciclo nominal do forno é idêntico.

Durante o resfriamento, o percurso da reação determina o produto de transformação. O resfriamento lento produz produtos reconstrutivos controlados por difusão, como ferrita proeutetoide e perlita, permitindo que os átomos de carbono e ferro se redistribuam. Um resfriamento mais rápido suprime essas reações e pode produzir bainita ou martensita. A University of Cambridge descreve o crescimento da bainita como sem difusão em relação à rede de ferro e termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainita possui energia livre menor que a austenita de composição idêntica. A martensita é uma transformação deslocativa, essencialmente sem difusão: sua formação não exige que o carbono percorra longas distâncias, embora o teor de carbono afete fortemente sua temperatura de início.

Uma transformação isotérmica mantém a austenita a uma temperatura escolhida após um resfriamento rápido até essa temperatura. Um diagrama TTT — diagrama de transformação-tempo-temperatura — mostra quando os produtos começam e terminam de se formar sob essas condições de manutenção. Suas curvas em C representam reações dependentes do tempo, como perlita e bainita, enquanto a temperatura de início da martensita, Ms, indica uma transformação atérmica governada principalmente pela temperatura atingida, e não por um tempo de incubação. Mf é a temperatura de fim da martensita, embora o resfriamento possa terminar acima de Mf e deixar austenita retida. A University of Cambridge relata que o carbono afeta Ms, Mf e a fração de austenita retida (2012).

Um diagrama CCT, por sua vez, registra a transformação durante o resfriamento contínuo. A taxa de resfriamento determina quais curvas de início são cruzadas e por quanto tempo o aço permanece em cada faixa de reação. O documento da NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) mostra que um diagrama CCT pode estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. Por isso, um valor CCT não substitui um valor Ae. Os limites de equilíbrio descrevem a estabilidade de fases permitida; os diagramas TTT e CCT descrevem quando produtos de transformação reais aparecem ao longo de determinados percursos térmicos.

A estrutura ferro–carbono: fases, estruturas cristalinas e campos

O diagrama ferro–carbono é um mapa de equilíbrio, não uma tabela de consulta de temperaturas. Seus campos identificam quais fases são termodinamicamente estáveis para determinada composição e temperatura, supondo tempo suficiente para a difusão. O aço real frequentemente segue uma trajetória diferente: as taxas de aquecimento e resfriamento deslocam as temperaturas de transformação, os elementos de liga alteram a estabilidade das fases e o resfriamento rápido pode suprimir produtos controlados por difusão. Portanto, o mesmo grau nominal pode conter ferrita, perlita, bainita, martensita, austenita retida ou misturas dessas fases, dependendo de seu histórico térmico.

O diagrama também distingue uma fase de um constituinte microestrutural e de um produto de transformação. Ferrita, austenita e cementita são fases. A perlita é um constituinte bifásico. Bainita e martensita são produtos de transformação cujas estruturas e composições dependem de como a austenita se decompõe.

Ferrita, austenita e cementita

A ferrita, convencionalmente representada por α neste contexto, é uma solução sólida rica em ferro com estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC). O carbono apresenta solubilidade muito baixa na ferrita BCC porque os sítios intersticiais disponíveis são pequenos e pouco adequados ao carbono. Em temperaturas ordinárias, os aços de baixo carbono geralmente contêm ferrita como sua fase contínua ou matriz. Seu teor de carbono relativamente baixo e sua rede BCC ajudam a explicar sua menor dureza em comparação com a martensita.

A austenita, representada por γ, possui estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC). A rede FCC oferece sítios intersticiais maiores e mais favoráveis, de modo que dissolve quantidade substancialmente maior de carbono que a ferrita. Essa capacidade de retenção de carbono é fundamental para o tratamento térmico do aço: a austenitização busca inserir o carbono em γ antes que o resfriamento determine se ela formará perlita, bainita, martensita ou outra mistura.

No ferro puro, o material Stainless Steels: Phase Equilibria, de 2005, da University of Cambridge, situa a austenita FCC aproximadamente entre 910 e 1400 °C. Esse intervalo é específico do ferro puro, não uma faixa universal para o aço. O ferro puro funde aproximadamente a 1539 °C, enquanto o carbono e as adições de elementos de liga deslocam os limites de fase e as temperaturas de transformação.

A cementita, Fe₃C, é um carboneto de ferro com estrutura cristalina ortorrômbica. É uma fase composta que contém aproximadamente 6,67% em massa de carbono, muito mais do que o teor total presente nos aços estruturais comuns. A cementita é dura e frágil, e sua quantidade, forma, espaçamento e continuidade afetam fortemente o comportamento mecânico. A fonte Interpretation of the Microstructure of Steels, de 2008, da Cambridge, identifica diretamente as três estruturas: a austenita é FCC, a ferrita é BCC e a cementita é Fe₃C ortorrômbica.

Essas denominações descrevem estruturas cristalinas, não simplesmente a aparência ao microscópio. Um grão de ferrita é uma única fase, mesmo que contenha defeitos ou pequenas concentrações de solutos. As partículas de cementita no interior da ferrita continuam sendo uma fase separada porque sua composição e estrutura cristalina são diferentes.

A composição eutetoide e a reação[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Um exemplo útil para organização é o ponto eutetoide. O material Materials Science & Metallurgy, de 2002, da University of Cambridge, fornece aproximadamente 0,8% em massa de carbono e 723 °C para a reação

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

Ambos os valores são aproximados e específicos da fonte. Os diagramas publicados podem apresentar números ligeiramente diferentes em razão dos estados de referência, dos dados experimentais, das hipóteses sobre a liga ou da convenção utilizada para definir uma temperatura crítica. A notação em si é mais importante do que tratar 0,8% em massa e 723 °C como constantes exatas.

Na composição eutetoide, a austenita se transforma em ferrita e cementita à medida que a temperatura atravessa a temperatura eutetoide de equilíbrio durante o resfriamento. Sob condições adequadas de resfriamento, essas fases se organizam em placas ou lamelas alternadas chamadas perlita. A perlita não é uma terceira estrutura cristalina nem uma fase única. Cada lamela de ferrita é BCC; cada lamela de cementita é Fe₃C ortorrômbica. O padrão em escala de colônia é um produto de transformação ou constituinte microestrutural produzido pelo crescimento cooperativo de duas fases.

A taxa de resfriamento altera o espaçamento e, às vezes, o próprio produto. O resfriamento lento permite que o carbono se difunda por distâncias maiores e tende a produzir perlita relativamente grosseira. Um resfriamento mais rápido pode produzir perlita mais fina, bainita ou, se a difusão for amplamente impedida, martensita. A ASM International inclui perlita, bainita, martensita, ferrita pró-eutetoide e cementita pró-eutetoide entre os principais produtos formados a partir da austenita.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

É por isso que a expressão “a temperatura de transformação do aço” é incompleta. Um diagrama de equilíbrio fornece valores como Ae₁, a temperatura eutetoide de equilíbrio, enquanto o aquecimento e o resfriamento produzem temperaturas Ac e Ar, que podem ser diferentes. O documento Critical Temperature Ranges, de 2024, da ASM, observa que, sob resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores de resfriamento. Os diagramas de transformação isotérmica descrevem uma permanência a uma temperatura selecionada; os diagramas de transformação por resfriamento contínuo (CCT) descrevem um resfriamento ininterrupto. O estudo Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, de 1990, do NIST, mostra como um diagrama CCT pode estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga.

O silício oferece uma advertência adicional contra valores fixos. A ASM relata que o silício eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. A composição altera os campos antes mesmo do início do ciclo no forno.

Ferrita pró-eutetoide e cementita pró-eutetoide

Os aços com menos carbono que a composição eutetoide são aços hipoeutetoides. Durante o resfriamento a partir da austenita, a ferrita se forma primeiro, antes que a austenita remanescente atinja a composição eutetoide. Essa ferrita inicial é chamada de ferrita pró-eutetoide. Na temperatura eutetoide, a austenita residual se transforma então em perlita. Portanto, uma estrutura hipoeutetoide final geralmente contém ferrita pró-eutetoide mais perlita, embora a taxa de resfriamento e os elementos de liga possam introduzir bainita ou martensita.

Os aços com mais carbono que a composição eutetoide são aços hipereutetoides. A cementita se forma primeiro a partir da austenita, geralmente ao longo dos contornos dos grãos de austenita prévia ou de outros sítios favoráveis. Essa é a cementita pró-eutetoide. A austenita remanescente torna-se eutetoide em composição e se transforma em perlita durante o resfriamento subsequente. A estrutura resultante geralmente contém cementita pró-eutetoide mais perlita.

A palavra “pró-eutetoide” significa “formado antes da reação eutetoide”, não “formado antes de existir a austenita”. Ambos os produtos se formam a partir da austenita durante o resfriamento. Suas quantidades dependem da composição e da trajetória pelos campos de fase, enquanto sua morfologia depende da nucleação, da difusão, do tamanho de grão e da taxa de resfriamento. Se o resfriamento for suficientemente rápido, a decomposição eutetoide pode ser evitada. O material sobre microestrutura dos aços da Cambridge, de 2008, distingue essas reações reconstrutivas, controladas por difusão, das transformações deslocativas; a martensita pode se formar sem a difusão química de longo alcance necessária para produzir perlita. O carbono também afeta as temperaturas de início e fim da formação de martensita e a fração de austenita retida, conforme registrado no Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel, de 2012, da Cambridge.

Formação da austenita durante o aquecimento

A austenita não aparece em uma única temperatura universal. Sua formação depende do teor de carbono, das adições de elementos de liga, da taxa de aquecimento, do tempo de permanência e da estrutura ferrítica–perlítica ou revenida presente antes do aquecimento. A própria fase é o ferro-γ cúbico de face centrada; a ferrita é o ferro-α cúbico de corpo centrado, enquanto a cementita é Fe₃C ortorrômbica, conforme descrito na publicação Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), da University of Cambridge. O aquecimento altera tanto a estrutura cristalina quanto a distribuição do carbono entre essas fases.

Os símbolos Ac1, Ac3 e Accm descrevem temperaturas críticas práticas, medidas ou observadas durante o aquecimento. O “c” indica aquecimento, enquanto o “1” marca o início da formação de austenita. Portanto, Ac1 é a temperatura na qual a austenita se forma pela primeira vez a partir de ferrita e perlita, ou de perlita e cementita em um aço hipereutetoide. Ac3 é a temperatura na qual desaparece a última ferrita proeutetoide em um aço hipoeutetoide. Accm é o limite superior correspondente para um aço hipereutetoide: acima dele, a cementita entrou em solução e a estrutura é completamente austenítica, exceto pelos carbonetos de liga não dissolvidos.

Essas temperaturas não são iguais a Ae1, Ae3 e Aecm. A notação Ae refere-se a condições de equilíbrio, nas quais as proporções das fases podem se ajustar por difusão em uma composição e temperatura definidas. Os valores de Ac descrevem uma trajetória real de aquecimento e, portanto, variam com a taxa de aquecimento, o tamanho do corpo de prova, a condição inicial e o método de medição. A ASM International afirma que, sob resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores de resfriamento (Critical Temperature Ranges, 2024). Portanto, um valor publicado de Ac1 ou Ac3 deve estar associado à composição do aço e às condições do ensaio.

Ultrapassando Ac1, Ac3 e Accm

Em um aço hipoeutetoide, como um grau estrutural típico de baixo carbono, a estrutura inicial geralmente contém ferrita e perlita. Próximo à composição eutetoide, as colônias de perlita começam a se transformar em Ac1. Com aproximadamente 0,8% em massa de carbono e a 723 °C, a reação eutetoide de equilíbrio é γ → α + Fe₃C, de acordo com o material Materials Science & Metallurgy (2002), da University of Cambridge. O aquecimento reverte essa reação: a ferrita e a cementita presentes na perlita são consumidas para formar austenita.

A transformação não ocorre como uma frente perfeitamente nítida. A austenita nucleia nas interfaces ferrita–cementita, nos contornos das colônias de perlita e em outros locais de alta energia. Em seguida, cresce para dentro da ferrita circundante. Como o carbono se difunde muito mais rapidamente através da austenita do que os elementos de liga substitucionais, a concentração de carbono torna-se desigual durante o estágio inicial. A ferrita remanescente só se dissolve à medida que a temperatura se eleva em direção a Ac3. Abaixo de Ac3, a mistura é formada por austenita e ferrita proeutetoide; acima de Ac3, a matriz é austenita.

Um aço hipereutetoide segue uma trajetória diferente. A perlita se transforma após Ac1, mas a cementita proeutetoide permanece ao redor dos contornos dos antigos grãos de austenita ou no interior da estrutura. A austenita só se estabelece completamente quando a temperatura ultrapassa Accm e a cementita se dissolve suficientemente. Portanto, o aquecimento apenas acima de Ac1 pode deixar a austenita com uma fração substancial de cementita. É incorreto chamar essa condição de “completamente austenitizada”.

Para o ferro puro, os dados de equilíbrio de fases da University of Cambridge situam a austenita cúbica de face centrada entre aproximadamente 910 e 1400 °C, com fusão próxima de 1539 °C. O aço não segue esses limites do ferro puro: o carbono e os elementos de liga deslocam os limites, e o aquecimento industrial frequentemente ocorre muito longe do equilíbrio. A questão prática não é simplesmente saber se um forno atingiu uma temperatura indicada em uma tabela. É saber se as fases necessárias tiveram tempo para se transformar em toda a seção.

Dissolução do carbono e redistribuição dos carbonetos

O carbono deve sair da cementita e se difundir através da austenita em crescimento. Uma estrutura perlítica fina geralmente se transforma mais rapidamente que uma perlita grosseira, porque proporciona uma área maior de interface ferrita–cementita e distâncias de difusão menores. A deformação a frio anterior, o tamanho dos grãos, a segregação e um tratamento de revenimento prévio também alteram os locais de nucleação e as taxas de dissolução.

Após Ac1, a austenita recém-formada pode conter menos carbono que o valor de equilíbrio nessa temperatura, enquanto as regiões próximas à cementita em dissolução contêm mais. A permanência nessa temperatura permite a redistribuição do carbono. Um tempo insuficiente pode deixar cementita não dissolvida, austenita pobre em carbono ou gradientes locais de composição. Temperatura ou tempo de permanência excessivos podem aumentar o tamanho dos antigos grãos de austenita mesmo quando a dissolução já está completa.

Os carbonetos de liga tornam o processo mais lento. Carbonetos que contêm cromo, molibdênio, vanádio, nióbio e titânio podem permanecer estáveis muito acima da temperatura necessária para dissolver a Fe₃C comum. Sua persistência pode ser intencional, mas isso significa que uma “temperatura de austenitização” nominal não garante que todas as partículas que contêm carbono tenham entrado em solução. O carbono e os átomos substitucionais também sofrem segregação durante a fundição e o processamento anterior; por isso, as temperaturas locais de transformação podem diferir dentro de um mesmo componente.

Efeito do silício e das adições de elementos de liga

O silício é um exemplo claro de por que a composição deve acompanhar qualquer temperatura de transformação. A ASM International relata que o silício eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. Em aços ligados ao silício, a estabilidade da cementita e a partição do carbono, portanto, diferem das observadas em aços ao carbono comuns. O resultado pode ser um limite prático de aquecimento mais alto, uma dissolução alterada dos carbonetos e uma tendência maior de o carbono permanecer distribuído entre a austenita e outros constituintes durante o ciclo térmico.

O manganês geralmente reduz as temperaturas críticas de transformação e aumenta a temperabilidade, enquanto o níquel estabiliza a austenita; o cromo, o molibdênio, o vanádio, o nióbio e o titânio podem formar carbonetos ou nitretos estáveis. O efeito combinado não pode ser inferido a partir de um único elemento isoladamente. A taxa de aquecimento também é importante: um aquecimento rápido pode produzir valores de Ac observados mais altos, porque a difusão e a nucleação ficam defasadas em relação à temperatura do forno.

A austenita resultante controla a transformação posterior. Durante o resfriamento, ela pode formar perlita, bainita, ferrita proeutetoide, cementita proeutetoide ou martensita, dependendo da composição e da trajetória de resfriamento. O relatório da NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) mostra por que um diagrama CCT é utilizado para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. A formação da austenita é a condição inicial, não uma garantia de qualquer estrutura final específica.

Produtos do resfriamento: perlita, bainita, martensita e fases proeutetoides

A austenita não possui um único produto inevitável de resfriamento. O resultado depende do teor de carbono e de elementos de liga, do tamanho de grão da austenita prévia, da condição de aquecimento, da taxa de resfriamento e do tempo de permanência em cada temperatura. A ASM International identifica perlita, bainita, martensita, ferrita proeutetoide e cementita proeutetoide como principais produtos da transformação da austenita. Esses nomes não descrevem todos o mesmo tipo de entidade: ferrita e cementita são fases; perlita e bainita são produtos de transformação que contêm mais de uma fase; e martensita é uma fase supersaturada formada por um mecanismo diferente.

A conhecida reação eutetoide ilustra essa distinção. A Universidade de Cambridge, em Materials Science & Metallurgy (2002), situa a reação em aproximadamente 0,8% em massa de carbono e 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

Aqui, γ é a austenita cúbica de faces centradas, α é a ferrita cúbica de corpo centrado, e Fe₃C é a cementita ortorrômbica, conforme descrito em Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), de Cambridge. A temperatura é uma referência de equilíbrio, não um ponto universal de mudança. A transformação real pode começar abaixo ou acima dela, dependendo da trajetória térmica e da composição.

Perlita como produto reconstrutivo controlado por difusão

A perlita se forma quando a austenita se decompõe cooperativamente em ferrita e cementita alternadas. O carbono precisa se redistribuir: a ferrita consegue dissolver apenas uma pequena quantidade de carbono, enquanto a cementita acomoda uma quantidade muito maior. A rede cristalina do ferro também se reconstrói, passando da disposição cúbica de faces centradas da austenita para a estrutura cúbica de corpo centrado da ferrita. Trata-se, portanto, de uma transformação reconstrutiva controlada por difusão, e não de uma simples mudança de forma da rede existente.

O caráter cooperativo é importante. A formação de ferrita rejeita carbono para a austenita próxima, elevando a concentração local de carbono e favorecendo a formação de cementita ao lado dela. A formação de cementita, por sua vez, fornece condições que permitem o crescimento da ferrita adjacente. As colônias resultantes contêm lamelas cujo espaçamento depende fortemente da temperatura de transformação. Temperaturas de transformação mais altas geralmente produzem perlita mais grosseira; temperaturas mais baixas produzem perlita mais fina, porque a distância disponível para a difusão é menor. A taxa de resfriamento altera não apenas a temperatura de início, mas também o espaçamento, a fração e a morfologia do produto.

Nos aços hipoeutetoides, a ferrita proeutetoide se forma antes que a austenita remanescente atinja a composição eutetoide. Ela cresce preferencialmente ao longo dos contornos dos grãos de austenita prévia e remove carbono da austenita não transformada, fazendo com que essa austenita se torne progressivamente mais rica em carbono. Nos aços hipereutetoides, forma-se, em vez disso, cementita proeutetoide, geralmente ao longo dos contornos dos grãos de austenita, enquanto a austenita remanescente se torna menos rica em carbono em relação à liga original antes de se transformar em perlita. A estrutura final pode, portanto, conter ferrita e perlita, ou cementita e perlita, em vez de apenas perlita.

Os termos Ae1, Ae3 e Aecm descrevem limites de equilíbrio: Ae1 é o limite eutetoide; Ae3 separa a austenita da austenita mais ferrita proeutetoide em composições adequadas; e Aecm indica o limite correspondente da cementita. As temperaturas críticas de aquecimento e resfriamento não precisam coincidir. A obra Critical Temperature Ranges (2024), da ASM International, afirma que, para resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores de resfriamento. A cinética e a histerese térmica não são erros no diagrama de fases; fazem parte da transformação.

Bainita e a condição T₀

A bainita ocupa a região intermediária frequentemente obscurecida por diagramas simplificados. Seu crescimento é sem difusão no que diz respeito à rede cristalina do ferro: os átomos de ferro se movem de maneira coordenada e displaciva, em vez de se difundirem individualmente por longas distâncias. O carbono, entretanto, não se torna irrelevante. A ferrita supersaturada formada durante a mudança inicial da rede precisa redistribuir o carbono, geralmente para a austenita ou para um carboneto, dependendo da composição do aço e das condições de transformação. Consequentemente, a bainita não é nem perlita com espaçamento mais fino nem martensita formada em temperatura mais alta.

Temperatura T₀Temperatura T₀ A temperatura na qual a austenita e a ferrita bainítica de composição idêntica possuem a mesma energia livre; abaixo dela, a transformação bainítica especificada é termodinamicamente permitida.

A Universidade de Cambridge, em The Bainite Reaction (2024), descreve o crescimento da bainita como sem difusão no que diz respeito à rede cristalina do ferro e termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀. T₀ é a temperatura na qual a austenita e a ferrita bainítica de composição química idêntica possuem a mesma energia livre. Abaixo de T₀, a ferrita bainítica com essa composição inalterada possui energia livre menor que a austenita; portanto, a etapa displaciva é termodinamicamente permitida. Acima de T₀, a transformação com a mesma composição não dispõe dessa força motriz.

Essa condição não significa que toda liga se transforme em bainita assim que ultrapassa T₀. Barreiras de nucleação, partição do carbono, precipitação de carbonetos, adições de elementos de liga, defeitos e tempo disponível afetam a reação. A estrutura bainítica final pode incluir ferrita e carbonetos, e sua aparência depende de a formação de carbonetos ocorrer entre as placas de ferrita ou ser suprimida pela composição e pelo processamento. O silício, por exemplo, eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro; esses efeitos alteram a trajetória e o produto, em vez de simplesmente deslocarem uma única temperatura fixa.

Um diagrama de transformação tempo-temperatura mostra esses limites cinéticos por meio de curvas em C. Um diagrama de transformação por resfriamento contínuo fornece uma resposta diferente, porque o corpo de prova percorre diferentes temperaturas enquanto a transformação prossegue. O trabalho Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), do NIST, observa que um diagrama CCT pode estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. Esse uso preditivo explica por que uma taxa de resfriamento não pode ser substituída por uma única “temperatura da bainita”.

Martensita como transformação displaciva atérmica

A martensita se forma por cisalhamento e deslocamento coordenados da rede cristalina da austenita. Ela é displaciva: os átomos de ferro se movem por pequenas distâncias, sem a difusão química de longo alcance necessária para a perlita. O carbono fica aprisionado na rede transformada, produzindo supersaturação e distorção. No aço-carbono, a martensita resultante é comumente descrita como uma estrutura tetragonal de corpo centrado, embora sua tetragonalidade varie com o teor de carbono e o revenimento.

A martensita começa a se formar na temperatura de início da martensita, Ms, quando a trajetória de resfriamento fornece força motriz suficiente para a nucleação. A transformação é denominada atérmica porque a quantidade formada depende principalmente da temperatura atingida, e não do tempo de permanência em uma temperatura constante. Ms é, portanto, uma temperatura de transformação, não uma garantia de que toda a austenita tenha se transformado. Um resfriamento adicional geralmente cria mais martensita, mas parte da austenita pode permanecer à temperatura ambiente.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, a temperatura final da martensita, possui a mesma limitação. Ela indica uma faixa de conclusão extrapolada ou medida para a reação martensítica sob condições especificadas, e não uma garantia absoluta de ausência de austenita retida. O trabalho Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012), de Cambridge, mostra especificamente que o carbono afeta Ms, Mf e as frações de austenita retida. Os elementos de liga e as transformações anteriores também deslocam o resultado.

O resfriamento rápido pode suprimir produtos reconstrutivos e permitir a formação de martensita, mas o significado de “rápido” depende do tipo de aço. O diagrama CCT de um aço pode mostrar perlita ou bainita antes de Ms a uma determinada taxa de resfriamento e martensita a outra taxa. Assim, a seleção de fases segue toda a história térmica: as temperaturas de equilíbrio identificam estados possíveis, os diagramas TTT descrevem a cinética isotérmica e os diagramas CCT descrevem o resfriamento contínuo real. A temperatura, por si só, nunca conta toda a história microestrutural.

Diagramas TTT: o que os dados de transformação isotérmica podem e não podem mostrar

Um diagrama de transformação tempo-temperatura (TTT) registra o que acontece quando a austenita é levada a uma temperatura selecionada e mantida nela. Ele não é uma tabela universal de temperaturas fixas de transformação. As curvas se aplicam a uma composição de aço especificada, a um tratamento de austenitização, a um tamanho de grão prévio e a uma definição experimental dos inícios e finais da transformação.

Para construir o diagrama, uma amostra é primeiro aquecida suficientemente dentro do campo da austenita para produzir a estrutura γ desejada. Em seguida, ela é temperada rapidamente até uma temperatura de manutenção escolhida. A têmpera deve evitar a transformação durante a queda de temperatura. Na temperatura de manutenção, a amostra é mantida em condições isotérmicas enquanto sua estrutura em mudança é detectada por dilatometria, metalografia, resposta magnética ou outra medição. O instante em que a transformação se torna detectável é plotado como ponto de início; o instante em que a fração selecionada é considerada completa é plotado como ponto de final. A repetição do procedimento em muitas temperaturas produz as curvas conhecidas.

O resultado distingue produtos de transformação, fases e temperaturas. A austenita é uma fase: ferro γ de estrutura cúbica de face centrada contendo carbono e elementos de liga. A perlita e a bainita são produtos de transformação, normalmente constituídos de ferrita e carboneto em diferentes arranjos. A martensita também é um produto de transformação, formado a partir da austenita por uma mudança deslocativa da rede cristalina. Na reação eutetoide, próxima de 0,8% em massa de carbono e 723 °C, a austenita se transforma de acordo com γ → α + Fe₃C, conforme descrito pela University of Cambridge (2002). A Cambridge identifica a ferrita como cúbica de corpo centrado e a cementita como Fe₃C ortorrômbico.

Leitura das curvas em C

A temperatura fica no eixo vertical e, geralmente, o tempo em escala logarítmica fica no eixo horizontal. O aço é austenitizado, resfriado rapidamente até um ponto do diagrama e então mantido horizontalmente. Se essa linha horizontal intersectar primeiro uma curva de início de transformação a 650 °C, o tempo decorrido até essa interseção é o período de incubação anterior à transformação detectável. A manutenção contínua conduz a estrutura em direção à curva de final correspondente. A região entre as duas curvas representa uma mistura de austenita não transformada e produto de transformação, e não uma única fase com uma temperatura precisamente definida.

As curvas normalmente se encurvam em direção a tempos curtos em uma temperatura intermediária, formando um “nariz”. A transformação é mais rápida próximo desse nariz porque a força motriz é substancial, enquanto o movimento atômico ainda permanece suficientemente rápido. Em temperaturas mais altas, a pequena força motriz retarda a nucleação; em temperaturas mais baixas, a difusão reduzida retarda o processo de crescimento. Portanto, o nariz indica uma condição de tempo e temperatura, não uma única temperatura crítica.

Uma manutenção horizontal acima da faixa relevante pode produzir perlita grosseira; uma manutenção em temperatura mais baixa pode produzir perlita mais fina ou bainita, dependendo da composição e do diagrama. Os limites exatos variam com o carbono, o manganês, o cromo, o molibdênio, o silício, o tamanho do grão de austenita prévio e a prática de austenitização. O silício, por exemplo, eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. Além disso, as temperaturas críticas de aquecimento e resfriamento não precisam coincidir: a ASM International (2024) relata que, sob resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de resfriamento.

Uma curva TTT não pode ser transferida diretamente para um componente que resfria continuamente. Um forno, banho de óleo, solda ou seção espessa segue uma trajetória inclinada de temperatura-tempo, em vez de uma manutenção horizontal. Durante essa trajetória, o material pode passar por temperaturas nas quais a transformação se inicia, mas o tempo disponível muda continuamente. Um diagrama de transformação em resfriamento contínuo (CCT) é a ferramenta apropriada para esse problema. O estudo da NIST (1990) sobre o aço SAE 1141 utiliza dados CCT para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. Um diagrama TTT ainda pode fornecer orientação, mas sua aplicação ao resfriamento contínuo exige qualificação, frequentemente por meio de curvas de resfriamento calculadas ou de dados CCT determinados experimentalmente.

Regiões de transformação reconstrutiva e deslocativa

As curvas em C separadas em muitos diagramas de aços refletem mecanismos diferentes, e não apenas nomes diferentes para o mesmo evento. As transformações reconstrutivas exigem que os átomos atravessem interfaces e se rearranjem por meio de processos que envolvem difusão. A perlita é o exemplo clássico: a ferrita e a cementita se formam à medida que o carbono se particiona, enquanto a rede de ferro muda de regiões austeníticas para regiões ferríticas. A ferrita pró-eutetoide ou a cementita pró-eutetoide também pertence a essa família controlada por difusão quando se forma antes da reação eutetoide.

A bainita ocupa uma região diferente. The Bainite Reaction, da Cambridge (2024), afirma que o crescimento da bainita é sem difusão no que diz respeito à rede de ferro e é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainita de mesma composição possui energia livre menor que a austenita. Portanto, a transformação combina uma mudança deslocativa na rede de ferro com processos de redistribuição ou precipitação do carbono que determinam a estrutura bainítica final. Ela não deve ser tratada simplesmente como “perlita fina”.

A martensita se forma quando a austenita é resfriada suficientemente rápido para suprimir as transformações reconstrutivas. Sua rede muda por deslocamento coordenado, essencialmente sem difusão de longo alcance durante a formação. Consequentemente, a região da martensita é representada por temperaturas, e não por curvas comuns dependentes do tempo.

Ms, Mf e austenita retida

Ms, a temperatura de início da martensita, é atingida quando o resfriamento da austenita permite que a martensita comece a se formar. A transformação é atérmica na faixa relevante: a quantidade formada depende principalmente da temperatura atingida, e não do tempo de manutenção a uma temperatura fixa. Mf, a temperatura de final da martensita, é a temperatura nominal na qual a transformação martensítica definida está completa.

Mf pode estar abaixo da temperatura ambiente. Nesse caso, o resfriamento até a temperatura ambiente deixa uma parte da austenita sem se transformar. Trata-se de austenita retida, e não de uma fase de equilíbrio separada selecionada por uma simples consulta de temperatura. Ela é consequência da composição e da trajetória de resfriamento, e sua quantidade pode mudar durante o revenimento subsequente, em serviço ou por deformação.

O carbono exerce forte efeito sobre as três grandezas. O material TTT da University of Cambridge (2012) mostra que o carbono afeta Ms, Mf e a fração de austenita retida: o aumento do carbono geralmente reduz Ms e Mf e aumenta a fração de austenita remanescente após um determinado tratamento de resfriamento. Os elementos de liga e o processamento prévio também alteram o resultado. Assim, uma linha marcada como Ms em um diagrama pertence àquele aço e às suas condições de ensaio; ela não pode ser copiada sem análise para outro grau de aço ou componente.

Diagramas CCT e a realidade dos caminhos industriais de resfriamento

Resfriamento contínuo através das faixas de transformação

Um diagrama tempo-temperatura-transformação (TTT) descreve o que acontece quando a austenita é mantida a uma temperatura selecionada. Essa condição é útil para estudar reações isotérmicas, mas não representa o histórico térmico usual de um componente de aço. Peças forjadas deixam a matriz e perdem calor continuamente. Produtos laminados resfriam através de um campo de temperatura variável. Aços normalizados e recozidos atravessam faixas de transformação durante o resfriamento no forno ou ao ar, enquanto peças temperadas frequentemente cruzam essas faixas rapidamente antes de atingir a temperatura de início da martensita, Ms.

Por isso, um diagrama de transformação por resfriamento contínuo (CCT) costuma ser um mapa mais prático. Seus limites de início e de fim da transformação são traçados em função de uma temperatura continuamente decrescente. Uma curva de resfriamento desenhada sobre o diagrama mostra quando, e por quanto tempo, a austenita permanece na faixa de temperatura em que determinado produto pode se formar. A curva pode entrar em uma região de início da formação de ferrita, prosseguir para a formação de perlita, atravessar a bainita e, por fim, cruzar Ms, fazendo com que a austenita remanescente se transforme em martensita. Consequentemente, a estrutura final pode ser uma mistura, e não uma única fase ou produto de transformação com nome específico.

Essa distinção é importante porque ferrita, perlita, bainita e martensita não se formam pelo mesmo mecanismo. Ferrita ou cementita proeutetoide podem se formar antes da reação eutetoide em aços hipoeutetoides ou hipereutetoides. Próximo à composição eutetoide, aproximadamente 0,8% em massa de carbono e 723 °C, a austenita sofre a transformação γ → α + Fe₃C, de acordo com o material Materials Science & Metallurgy da University of Cambridge (2002). Aqui, α é a ferrita e Fe₃C é a cementita. O material Interpretation of the Microstructure of Steels da Cambridge (2008) identifica a austenita como cúbica de face centrada, a ferrita como cúbica de corpo centrado e a cementita como Fe₃C ortorrômbica.

Em temperaturas mais baixas, a bainita pode se formar por uma transformação que é difusionalmente independente em relação à rede de ferro, embora a redistribuição do carbono continue sendo importante para a reação e seus produtos. O material The Bainite Reaction da Cambridge (2024) afirma que o crescimento da bainita é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainita tem energia livre menor que a austenita de composição idêntica. Se o resfriamento for suficientemente rápido, os produtos controlados por difusão podem ser evitados. A rede da austenita então se transforma por deslocamento em martensita, começando em Ms; a formação da martensita é atérmica, de modo que a quantidade formada depende principalmente de quanto a temperatura cai abaixo de Ms, e não do tempo de permanência a uma única temperatura.

Uma curva CCT também não é uma propriedade universal do “aço”. A temperatura de austenitização, o tempo de permanência, a estrutura anterior de ferrita-perlita ou bainítica, o tamanho de grão, o teor de elementos de liga e o meio de resfriamento afetam o resultado. O silício, por exemplo, eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. Mesmo as temperaturas críticas medidas durante o aquecimento e o resfriamento não precisam coincidir: o material Critical Temperature Ranges da ASM International (2024) relata que, sob resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de resfriamento.

O exemplo do SAE 1141

O relatório do National Institute of Standards and Technology Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) fornece um exemplo aplicado útil. O SAE 1141 é um aço de médio carbono ressulfurado, comumente designado pela classificação SAE/AISI 1141. Sua adição de enxofre melhora o comportamento de livre usinagem, mas a classificação ainda responde à interação completa entre o teor de carbono, a condição da austenita, a velocidade de resfriamento e a geometria da seção.

No trabalho do NIST, os dados CCT são usados para relacionar os caminhos de resfriamento da austenita à estrutura à temperatura ambiente, em vez de atribuir uma única temperatura de transformação à classificação. Um caminho relativamente lento pode interceptar as regiões de ferrita e perlita antes de atingir temperaturas mais baixas. Um caminho mais rápido pode suprimir parte ou a totalidade dessas reações, entrar em uma região de bainita ou evitar a transformação difusional até cruzar Ms e formar martensita. Se a curva de resfriamento interceptar mais de uma região de início, o aço resultante poderá conter ferrita proeutetoide e perlita, perlita e bainita, bainita e martensita ou vários produtos simultaneamente. A austenita que permanecer não transformada quando o resfriamento for interrompido poderá persistir como austenita retida.

Essa última fração não é um detalhe insignificante. O material Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel da Cambridge (2012) identifica especificamente o carbono como um elemento que afeta Ms, o término da transformação martensítica, Mf, e a fração de austenita retida. Se o aço for resfriado apenas até uma temperatura acima de Mf, parte da austenita poderá permanecer. Posteriormente, ela poderá se transformar durante o serviço, a usinagem ou um tratamento térmico subsequente, alterando as dimensões e as tensões.

O estudo do SAE 1141 realizado pelo NIST apresenta diretamente o ponto prático: um diagrama CCT de um aço pode ser usado para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. Essas previsões são estimativas, não substitutos da verificação do ciclo térmico e da seção reais. Uma curva de resfriamento na superfície pode passar bem à esquerda dos limites de transformação, enquanto o centro resfria mais lentamente e forma ferrita e perlita. Assim, a mesma peça pode ter uma camada superficial dura de martensita e um núcleo misto mais macio.

Temperabilidade, tamanho da seção e previsão das propriedades

A temperabilidade é frequentemente confundida com a dureza. São medições diferentes. A dureza descreve a resistência à indentação ou à deformação em uma condição específica. A temperabilidade descreve a capacidade de um aço de formar martensita, bem como a profundidade até a qual isso pode ocorrer, sob um tratamento de austenitização e uma condição de resfriamento especificados. A um aço de alta temperabilidade não se atribui um único valor universal de dureza. Sua dureza ainda depende do teor de carbono, da fração de martensita, do revenimento e da velocidade de resfriamento local.

O tamanho da seção altera essa velocidade de resfriamento. Uma barra fina pode resfriar suficientemente rápido em toda a sua seção transversal para evitar a formação de ferrita e perlita. Em uma peça forjada espessa, o calor armazenado no centro desacelera a curva de resfriamento, permitindo que ela entre em regiões de início da transformação que a superfície evita. O centro pode então conter bainita ou perlita, enquanto a superfície contém martensita. Esse gradiente térmico também cria diferenças na variação de volume e na tensão de transformação, que podem contribuir para distorção, trincas de têmpera e tensão residual.

A interpretação de um CCT deve, portanto, começar pelo processo real: temperatura e tempo de austenitização, contato com o forno ou a matriz, atraso na transferência, meio de resfriamento, agitação, orientação da peça e espessura local da seção. Os produtos previstos fornecem então um caminho para as propriedades. Ferrita e perlita grosseira geralmente reduzem a resistência e a dureza, ao mesmo tempo que melhoram a usinabilidade em relação à martensita não revenida; a bainita ocupa uma posição intermediária e altamente dependente das condições; a martensita eleva a dureza e a resistência, mas pode reduzir a tenacidade se não for revenida. Misturas e gradientes também afetam a fadiga, porque a dureza local, a tensão residual, as inclusões e a austenita retida alteram a iniciação e o crescimento de trincas. Uma consulta de temperatura não consegue captar esses efeitos. Um caminho de resfriamento consegue.

Por que as temperaturas de transformação variam entre diferentes aços e processos

Uma temperatura de transformação não é um valor universal de consulta para “aço”. Ela identifica uma condição sob a qual uma determinada mudança de fase se torna possível ou detectável para uma composição e uma trajetória térmica especificadas. O resultado também depende de o diagrama descrever equilíbrio, uma manutenção isotérmica ou resfriamento contínuo. Perlita, bainita, martensita, ferrita pró-eutetóide e cementita pró-eutetóide são produtos de transformação diferentes, e não nomes intercambiáveis para uma única temperatura.

Teor de carbono e composição da liga

O carbono altera tanto os limites de equilíbrio quanto os produtos formados durante o resfriamento. No sistema ferro–carbono, a reação eutetóide ocorre a aproximadamente 0,8% em massa de carbono e 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

A obra Materials Science & Metallurgy (2002), da University of Cambridge, apresenta essa reação para a transformação da austenita em ferrita e cementita. A austenita possui estrutura cúbica de face centrada, a ferrita possui estrutura cúbica de corpo centrado, e a cementita é Fe₃C ortorrômbico, conforme descrito em Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), da Cambridge. A alteração do teor de carbono desloca a composição e a temperatura eutetóides e modifica qual fase aparece antes da reação eutetóide. Aços hipoeutetóides podem formar ferrita pró-eutetóide; aços hipereutetóides podem formar cementita pró-eutetóide.

O carbono também altera a temperatura de início da formação de martensita, Ms, e a temperatura na qual a transformação martensítica é substancialmente concluída, Mf. O documento Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012), da Cambridge, identifica especificamente o carbono como um elemento que afeta Ms, Mf e a fração de austenita retida. O aumento do teor de carbono geralmente reduz Ms e Mf. Se Mf cair abaixo da temperatura ambiente, parte da austenita poderá permanecer não transformada. Essa austenita retida não é evidência de que o aço não tenha atingido uma única “temperatura de têmpera” fixa; ela reflete a composição e a temperatura final do resfriamento.

O mecanismo é importante. A perlita e os produtos pró-eutetóides exigem redistribuição de carbono e são controlados por difusão. A martensita forma-se por uma rápida mudança displaciva, permitindo que a rede cristalina do ferro se transforme sem a difusão de carbono a longa distância necessária para a formação de cementita. A bainita ocupa uma posição intermediária nessa descrição: The Bainite Reaction (2024), da Cambridge, afirma que seu crescimento é sem difusão no que diz respeito à rede cristalina do ferro e é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainita de mesma composição apresenta energia livre inferior à da austenita.

Os elementos de liga podem deslocar essas relações, mas seus efeitos não devem ser tratados como idênticos. O silício fornece um exemplo documentado. A ASM International afirma que o silício eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. Consequentemente, os aços contendo silício não podem ser interpretados a partir de um diagrama ferro–carbono não modificado para aços-carbono comuns. Isso não justifica atribuir uma única correção a todos os elementos de liga: cada elemento altera a estabilidade das fases, a difusão, a química dos carbonetos ou uma combinação desses fatores.

Histerese durante o aquecimento e o resfriamento

A temperatura registrada durante o aquecimento não precisa ser igual à temperatura registrada durante o resfriamento. Durante o aquecimento, a ferrita e a cementita precisam se dissolver, e a austenita precisa nuclear e crescer; isso exige ativação térmica e tempo. Durante o resfriamento, a austenita se decompõe por meio de um processo diferente de nucleação e crescimento. Portanto, a transformação apresenta histerese, mesmo quando o forno altera a temperatura lentamente.

A ASM International, em Critical Temperature Ranges (2024), afirma que, sob condições de resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores correspondentes durante o resfriamento. Essa é uma afirmação quantitativa da fonte, não uma margem universal aplicável a todos os ciclos de forno ou a todas as ligas. Um aquecimento mais rápido pode aumentar o sobrepassamento aparente, pois a difusão e a nucleação ficam atrasadas em relação à temperatura medida. Uma têmpera rápida pode suprimir a perlita e a bainita por tempo suficiente para que a martensita se forme, enquanto uma manutenção isotérmica pode produzir uma transformação a uma temperatura que não corresponderia ao ponto de início em um diagrama de resfriamento contínuo.

Essa distinção separa as temperaturas de equilíbrio, como Ae1, Ae3 e Aecm, das temperaturas práticas Ac e Ar, medidas durante o aquecimento e o resfriamento. Um diagrama TTT descreve a transformação durante uma manutenção isotérmica após a austenitização. Um diagrama CCT acompanha uma temperatura que varia continuamente. O documento Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), do NIST, utiliza dados CCT para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. Portanto, uma curva CCT é um mapa de processo, e não um substituto para os dados de equilíbrio de fases.

Tamanho do grão de austenita prévia, tempo e gradientes térmicos

O tempo de austenitização altera mais do que a leitura do termômetro sugere. Uma manutenção suficientemente longa pode dissolver carbonetos, homogeneizar o carbono e permitir o crescimento dos grãos de austenita. Um tempo insuficiente pode deixar carbonetos não dissolvidos ou regiões ricas e pobres em carbono, fazendo com que diferentes partes do mesmo componente iniciem o resfriamento com tendências de transformação distintas. Um tempo excessivo geralmente produz grãos de austenita prévia mais grosseiros, reduzindo a área total de contornos de grão disponível para a nucleação e frequentemente retardando as transformações difusionais.

Consequentemente, o tamanho do grão de austenita prévia altera a cinética, em vez de criar uma nova composição de equilíbrio. Grãos finos fornecem mais sítios de nucleação e podem promover a formação mais precoce de ferrita ou perlita durante o resfriamento. Grãos grosseiros podem aumentar a temperabilidade ao retardar esses produtos nucleados nos contornos de grão, permitindo que uma fração maior da austenita alcance condições de formação de bainita ou martensita. O deslocamento preciso depende do teor de carbono, da composição da liga, da condição dos contornos de grão e da taxa de resfriamento.

Os componentes reais raramente seguem uniformemente o programa do forno. Uma seção espessa perde calor pela superfície enquanto o núcleo permanece quente, produzindo diferentes taxas de resfriamento ao longo da seção. A uniformidade da temperatura do forno, a disposição da carga, o contato com os dispositivos de fixação e a oxidação superficial também afetam a história térmica real. A superfície pode atravessar uma região de formação de perlita ou bainita enquanto o núcleo ainda está acima dela; posteriormente, o núcleo pode transformar-se sob uma taxa de resfriamento mais lenta que a da superfície. Assim, um único tratamento térmico nominal pode produzir ferrita, perlita, bainita, martensita e austenita retida em diferentes locais. A temperatura é importante, mas a trajetória percorrida através das temperaturas determina qual produto de transformação aparece.

Normas de leitura, designações de classe e terminologia de transformação

SAE 1141 e os limites dos diagramas específicos de classe

Um diagrama de transformação é um registro referente a uma composição e a uma trajetória térmica definida, não uma tabela universal de temperaturas. Um diagrama CCT identificado como SAE 1141 aplica-se à composição química, ao tratamento de austenitização, ao tamanho do corpo de prova e ao método de ensaio utilizados para produzi-lo. Ele não deve ser rotulado novamente como “o diagrama do aço-carbono”, muito menos ser aplicado, sem as devidas qualificações, a aço de baixa liga, aço inoxidável ou aço-ferramenta.

Essa distinção é importante porque os elementos de liga alteram a estabilidade das fases, as taxas de difusão, a formação de carbonetos e a cinética de transformação. O carbono altera a faixa de transformação de austenita em martensita e a fração de austenita retida; o material de 2012 da University of Cambridge, Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel, identifica especificamente efeitos sobre Ms, Mf e as frações de austenita retida. De acordo com Critical Temperature Ranges, da ASM International, de 2024, o silício eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. Níquel, cromo, molibdênio e manganês podem deslocar as curvas de transformação e retardar os produtos de difusão. Uma classe de aço inoxidável também pode conter campos de fase de ferrita, austenita ou fases intermetálicas ausentes em um diagrama de aço-carbono comum, enquanto os aços-ferramenta podem formar carbonetos de liga que alteram tanto os produtos de transformação em equilíbrio quanto os produtos observados.

Mesmo a conhecida referência baseada exclusivamente no ferro é específica quanto à composição. Stainless Steels: Phase Equilibria, da Cambridge, de 2005, situa a austenita cúbica de face centrada no ferro puro aproximadamente entre 910 e 1400 °C e fornece uma temperatura de fusão de aproximadamente 1539 °C. Esses valores não definem as temperaturas críticas do SAE 1141. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, do NIST, de 1990, mostra o uso adequado de um diagrama CCT específico de uma classe: estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga sob condições de resfriamento estabelecidas.

Portanto, uma temperatura citada precisa vir acompanhada de sua evidência. Informe a designação da classe e a norma, a base da composição — nominal, análise da corrida ou composição medida —, além da microestrutura inicial, da temperatura de austenitização e do tempo de permanência, da taxa de aquecimento ou resfriamento, da geometria do corpo de prova, do tipo de diagrama e do método de medição. Dilatometria, análise térmica diferencial, medição da resistência elétrica e interrupção para exame metalográfico podem produzir diferentes temperaturas aparentes de início e término.

Notação Ae, Ac, Ar, Ms, Mf e Aecm

O prefixo Ae denota uma temperatura de transformação em equilíbrio. Assim, Ae1 é o limite eutetoide em condições de equilíbrio, e Ae3 é o limite superior associado à formação de ferrita a partir da austenita em aço hipoeutetoide. Aecm identifica o limite de equilíbrio entre austenita e cementita no lado rico em carbono. O subscrito “cm” refere-se à cementita, Fe₃C.

A composição aproximadamente eutetoide é de 0,8% em massa de carbono. A aproximadamente 723 °C, o material de 2002 da University of Cambridge, Materials Science & Metallurgy, apresenta a reação γ → α + Fe₃C. Nesse caso, γ é a austenita e α é a ferrita. Essa equação descreve as fases em equilíbrio; ela não afirma que todo aço resfriado através de 723 °C formará perlita.

O prefixo Ac refere-se a uma temperatura crítica medida durante o aquecimento, enquanto Ar se refere a uma medida durante o resfriamento. Ac1 e Ar1 podem diferir porque a nucleação, a dissolução, a difusão e o atraso térmico dependem da taxa e da estrutura anterior. A ASM International relata que, sob resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores de resfriamento. Ms é a temperatura de início da formação de martensita durante o resfriamento, e Mf é a temperatura de término da formação de martensita. A martensita é um produto deslocativo e, em grande parte, sem difusão; um resfriamento insuficiente abaixo de Mf pode deixar austenita retida. Os diagramas TTT geralmente indicam Ms, enquanto os diagramas CCT mostram como o resfriamento contínuo atravessa as regiões de perlita, bainita e martensita.

Fases, constituintes e apresentação da microestrutura

Uma fase é uma parte física e quimicamente distinta de um material, com estrutura definida e faixa de composição definida. Interpretation of the Microstructure of Steels, da Cambridge, de 2008, identifica a austenita como cúbica de face centrada, a ferrita como cúbica de corpo centrado e a cementita como Fe₃C ortorrômbico. Um campo de fases em um diagrama de equilíbrio prevê quais fases são estáveis em determinada composição e temperatura. Ele não é uma fotografia e não especifica o tamanho, o espaçamento ou a morfologia das partículas, nem a taxa de transformação.

Um constituinte é um produto ou agregado microestrutural observado. A perlita é comumente um agregado de ferrita e cementita; a bainita contém regiões ferríticas e arranjos de carbonetos produzidos por um mecanismo de transformação distinto; a martensita é uma ferrita transformada supersaturada, com morfologia e estado de carbono característicos. A ASM International considera perlita, bainita, martensita, ferrita proeutetoide e cementita proeutetoide como os principais produtos da transformação da austenita, tanto em condições isotérmicas quanto de resfriamento contínuo. The Bainite Reaction, da Cambridge, de 2024, afirma que o crescimento da bainita é sem difusão em relação à rede de ferro e é termodinamicamente possível abaixo de T₀, quando a bainita apresenta energia livre menor que a austenita de composição idêntica.

Portanto, os relatórios devem separar os campos de fases calculados dos constituintes medidos. Informe se a fonte é um diagrama de equilíbrio Fe–C ou Fe–Fe₃C, um diagrama TTT ou um diagrama CCT; em seguida, identifique como a transformação foi detectada e como a estrutura final foi examinada. Uma imagem de uma amostra polida e atacada, um resultado de difração de raios X, uma curva dilatométrica e um perfil de dureza respondem a perguntas diferentes. Temperatura sem esse contexto é uma designação incompleta.

Do diagrama à microestrutura: um fluxo de interpretação disciplinado

Um diagrama de transformação não é uma tabela de consulta de temperaturas. Ele é um mapa para uma composição, uma condição do corpo de prova, um ciclo de aquecimento ou resfriamento e um método experimental especificados. Portanto, a pergunta disciplinada não é “Que fase se forma a 700 °C?”, mas “Que material está presente, que trajetória ele percorreu e quais mecanismos de transformação tiveram tempo para atuar?”

Comece pela composição e pela trajetória térmica pretendida

Comece registrando a designação do aço e sua composição química. “Aço-carbono” é uma categoria ampla demais para uma previsão confiável. Um aço eutetoide ao carbono comum comporta-se de maneira diferente do SAE 1141, e ambos diferem de graus de liga que contêm cromo, molibdênio, níquel, manganês ou silício. Registre os teores de carbono e dos elementos de liga, a condição inicial, o tamanho de grão, se conhecido, a espessura da seção, a temperatura de austenitização, o tempo de permanência e as taxas de aquecimento e resfriamento.

A designação deve ser conferida com a análise química real da corrida quando as decisões dependerem do resultado. Pequenas variações na composição podem deslocar as temperaturas de transformação e alterar as frações dos produtos de transformação. O silício, por exemplo, eleva a faixa de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenita e tende a dissociar o carboneto de ferro. Até mesmo o sentido da variação térmica é relevante: a ASM International relata que, sob resfriamento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C mais altas que os valores observados no resfriamento.

Em seguida, classifique o processo térmico. Um cálculo de equilíbrio pressupõe variações extremamente lentas e tempo suficiente para que as fases se aproximem de suas composições de equilíbrio. Um tratamento isotérmico leva rapidamente o aço a uma temperatura selecionada e o mantém nessa temperatura; essa é a condição representada por um diagrama TTT. Um tratamento de resfriamento contínuo acompanha uma temperatura variável e é representado por um diagrama CCT. O resfriamento em forno, ao ar, em óleo e em água são trajetórias contínuas, não permanências isotérmicas, mesmo que suas temperaturas finais sejam semelhantes.

O conhecido diagrama Fe–C fornece limites úteis, mas não prevê todas as microestruturas industriais. No ferro puro, a austenita cúbica de faces centradas é estável aproximadamente de 910 a 1400 °C, e o ferro puro funde a aproximadamente 1539 °C, segundo Stainless Steels: Phase Equilibria (2005), da University of Cambridge. Esses valores não se aplicam sem alteração ao aço ligado. A aproximadamente 0,8% em massa de carbono e 723 °C, a reação eutetoide é γ → α + Fe₃C, mas um aço real pode conter ferrita ou cementita pró-eutetoide antes da formação do constituinte eutetoide.

Trace a trajetória pelos dados TTT ou CCT

Selecione o diagrama que corresponda ao processo. Em um diagrama TTT, localize a condição de austenitização, desloque-se rapidamente até a temperatura de permanência e, então, leia o início e o término da transformação durante a permanência. Em um diagrama CCT, trace ou selecione a curva de resfriamento real e identifique cada região atravessada por ela. Não transfira diretamente um tempo de início obtido em TTT para um tratamento CCT; o aço percorre uma faixa de temperaturas enquanto a transformação ocorre.

Escreva explicitamente a sequência. Um aço hipoeutetoide pode formar primeiro ferrita pró-eutetoide a partir da austenita, seguida de perlita. Um aço hipereutetoide pode formar cementita pró-eutetoide antes da perlita. Uma curva de resfriamento que evite a região da perlita pode entrar na faixa da bainita e, em seguida, atravessar Ms, a temperatura de início da formação da martensita. Consequentemente, a estrutura final pode conter ferrita, perlita, bainita, martensita e austenita retida em diferentes proporções.

Esses nomes também descrevem tipos diferentes de entidades. Ferrita, austenita e cementita são fases: Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), da University of Cambridge, identifica-as, respectivamente, como ferrita cúbica de corpo centrado, austenita cúbica de faces centradas e Fe₃C ortorrômbico. Perlita e bainita são produtos de transformação com arranjos característicos de fases, enquanto a martensita é um produto de transformação displaciva. Uma temperatura de transformação indica um limite ou evento, não um constituinte final garantido.

O mecanismo é importante. Transformações reconstrutivas exigem difusão atômica e podem produzir ferrita, perlita ou cementita quando a trajetória fornece tempo para a redistribuição do carbono. A martensita forma-se sem a difusão química de longo alcance exigida por essas reações. A bainita apresenta uma combinação diferente de alteração da rede cristalina e redistribuição do carbono; The Bainite Reaction (2024), da University of Cambridge, afirma que o crescimento da bainita é difusionalmente sem difusão em relação à rede de ferro e é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀.

A martensita não é automaticamente o último produto. Se Ms estiver abaixo da temperatura ambiente, ou se o resfriamento for interrompido antes que a austenita se esgote, poderá permanecer austenita retida. O material TTT da Cambridge (2012) identifica especificamente o carbono como um fator que afeta Ms, a temperatura Mf de finalização da martensita e as frações de austenita retida. Assim, “aço temperado” pode significar uma estrutura mista, e não martensita a 100%.

Valide as previsões por microscopia e ensaios de propriedades

Trate o resultado do diagrama como uma previsão. Confirme-o preparando um corpo de prova representativo, polindo-o e atacando-o com um método adequado ao aço, e examinando a estrutura por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura ou outra técnica apropriada. A metalografia pode revelar a morfologia da ferrita, o espaçamento da perlita, os feixes bainíticos, as regiões martensíticas, as redes de carbonetos, a descarbonetação e a segregação, embora alguns constituintes exijam uma interpretação cuidadosa, pois o contraste produzido pelo ataque não é uma identificação direta de fase.

Meça a dureza em locais definidos e informe a escala, a carga e o plano de amostragem. Acrescente ensaios de tração, impacto, fadiga, dimensionais ou medições de austenita retida quando a aplicação exigir. A dureza, por si só, não consegue distinguir todas as misturas nem estabelecer a tenacidade.

Um diagrama CCT de um aço pode ser usado para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência mecânica, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. Limited evidence

O relatório do NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) demonstra a finalidade prática dos dados CCT: esse tipo de diagrama pode estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência mecânica, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de fadiga. “Prever” continua sendo a palavra operacional. Um conjunto de dados de um diagrama pertence a uma composição, uma condição de tamanho de grão, uma dimensão de corpo de prova e um procedimento de ensaio específicos. Quando a consequência do erro for significativa, trace a trajetória térmica, registre a sequência prevista e compare-a com a microscopia e as propriedades medidas antes de aceitar o modelo de transformação.

Referências

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf