Microestruturas do aço após tratamento térmico

O que a microestrutura do aço regista após o tratamento térmico

A microestrutura como registo do historial térmico

O tratamento térmico altera as propriedades do aço principalmente através da alteração da sua microestrutura, e não pela adição de dureza como uma qualidade independente. A NPTEL estabelece diretamente esta relação entre processo e propriedades na sua abordagem de 2024 ao tratamento térmico do aço. O aquecimento, a manutenção à temperatura e o arrefecimento alteram as fases que se formam, a quantidade de carbono que se pode deslocar e os locais onde os elementos de liga se concentram. A estrutura final regista, portanto, um historial térmico: o estado do aço antes do aquecimento, o tratamento de austenitização, o tempo disponível para a difusão, o percurso de arrefecimento e qualquer revenido ou recozimento posterior.

A austenite é o estado-mãe central neste registo. Durante o aquecimento, a ferrite e a cementite podem transformar-se em austenite, uma fase do ferro capaz de dissolver substancialmente mais carbono do que a ferrite. Isto não significa que todos os átomos atinjam instantaneamente uma distribuição uniforme. O carbono tem de se difundir, a cementite tem de se dissolver na medida necessária e os elementos de liga podem abrandar ou redirecionar estes processos. A austenite resultante pode então decompor-se através de mais do que uma via.

O historial de arrefecimento determina qual das vias predomina. No aço hipoeutectoide, o arrefecimento contínuo produz normalmente ferrite alotriomórfica mais perlite, de acordo com o University of Cambridge Phase Transformations Group em 2011. Com uma alteração do percurso de arrefecimento ou uma maior temperabilidade, a estrutura pode evoluir para perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida. Estas não são simplesmente posições numa escala de velocidade de arrefecimento. A composição, a estrutura dos grãos de austenite prévia, a atividade do carbono, a dimensão da secção e os efeitos dos elementos de liga influenciam igualmente as transformações.

Uma transformação lenta dá ao carbono tempo para se repartir entre a ferrite rica em ferro e o carboneto de ferro. Uma via rápida pode suprimir grande parte dessa difusão e forçar uma transformação deslocativa em martensite. As vias intermédias podem produzir bainite, cuja formação combina a transformação ferrítica com a redistribuição do carbono e a formação de carbonetos. A têmpera, portanto, não constitui a explicação completa para um aço duro. É uma parte de uma sequência que determina se a austenite se transforma em martensite, bainite, perlite, ferrite ou numa mistura que contém austenite retida.

Fases, constituintes, morfologia e distribuição

Uma fase é uma região com uma estrutura cristalina e um estado químico definidos, enquanto um constituinte é uma combinação estrutural reconhecível que pode conter mais do que uma fase. A ferrite e a cementite são fases. A perlite é um constituinte formado por ferrite e cementite, normalmente dispostas em lamelas alternadas. A bainite é também um constituinte: a ScienceDirect descreve-a como uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe3C. A martensite é uma fase de ferro transformada e sobressaturada, cujo teor de carbono e morfologia refletem a austenite a partir da qual se formou. A austenite retida é a austenite que permanece após o arrefecimento, em vez de se transformar.

As designações, por si só, não descrevem a disposição visível. A ferrite pode ocorrer sob a forma de grãos alotriomórficos ao longo dos limites dos grãos de austenite prévia ou sob a forma de placas de Widmanstätten que se estendem para o interior da austenite. A perlite pode ser grosseira, com lamelas de cementite amplamente espaçadas, ou fina, com um espaçamento muito menor. A ScienceDirect observa que a perlite grosseira formada a temperaturas de transformação mais elevadas é relativamente macia, enquanto a perlite mais fina é mais resistente. A distinção é tanto morfológica como composicional.

A bainite também apresenta mais do que uma aparência. A bainite superior contém ferrite e carboneto numa disposição associada à transformação na parte superior do intervalo bainítico; a bainite inferior forma-se com uma distribuição mais fina de carbonetos no interior da ferrite ou estreitamente associada a esta. A ScienceDirect afirma que a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. Essa diferença não pode ser deduzida apenas da palavra «bainite».

O tratamento térmico também pode alterar a morfologia sem substituir todas as fases. Durante a esferoidização, o University of Cambridge Phase Transformations Group referiu, em 2008, que as lamelas de cementite perlítica se transformam em partículas. O aço continua a conter ferrite e cementite, mas a disposição das partículas altera a resistência à deformação, a resposta ao corte e a via disponível para transformações posteriores. A distribuição é importante: um carboneto num limite de grão não produz o mesmo efeito estrutural que um carboneto finamente disperso no interior da ferrite.

As referências de 2024 da ASM International identificam a austenite, a ferrite, a difusão do carbono, a bainite, a cementite, a martensite, a perlite e as transformações de fase como os temas fundamentais necessários para interpretar estas estruturas. A sua descrição de 2024 define as microestruturas de aços tratados termicamente como associações de ferro, carbono e outros elementos de liga que formam ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. A descrição útil é, portanto, «quais as fases e os constituintes presentes, em que proporções e com que morfologia e distribuição».

Por que razão a dureza, por si só, é uma descrição incompleta

Podem ocorrer valores de dureza semelhantes em aços com diferentes combinações de fases e morfologias, pelo que a dureza, por si só, não pode identificar os produtos de transformação. Limited evidence

A dureza reduz uma estrutura complexa a uma única resposta medida. Pode indicar a resistência à indentação, mas não identifica os produtos de transformação que produziram essa resposta. Dois aços podem apresentar uma dureza semelhante, embora contenham combinações diferentes de perlite fina, bainite, martensite e austenite retida. A sua tenacidade, ductilidade, estabilidade dimensional, resposta à fadiga e resposta ao revenido podem ainda assim ser diferentes.

A martensite aumenta frequentemente a dureza porque o carbono fica retido numa estrutura cristalina tensionada, mas o resultado depende do teor de carbono, dos elementos de liga, da quantidade transformada e do revenido subsequente. A martensite não revenida não constitui a mesma microestrutura que a martensite revenida. Um aço temperado também pode conter bainite ou austenite retida se o percurso de transformação tiver sido não uniforme ou se a composição tiver atrasado a transformação.

A mesma cautela se aplica às estruturas mais macias. A perlite grosseira e a cementite esferoidizada podem produzir uma dureza comparável em determinadas condições, apresentando simultaneamente formas diferentes de carbonetos e mecanismos de deformação distintos. A dureza não consegue revelar se a cementite é lamelar, particulada, associada a limites de grão ou finamente dispersa. Para reconstruir o registo são necessárias a microscopia, a difração, a análise química e o conhecimento do ciclo de tratamento.

A pergunta correta após o tratamento térmico não é simplesmente «Qual é a dureza do aço?». É: que austenite existia, como se deslocaram o carbono e os elementos de liga, que transformações ocorreram e que disposição permanece? A dureza é uma evidência. A microestrutura é a explicação.

Austenite, Ferrite e Cementite: os Constituintes Fundamentais

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

As microestruturas dos aços são interpretadas como combinações de fases e constituintes, e não como pontos numa simples escala de duro a macio. A ASM International afirma que as microestruturas dos aços tratados termicamente são constituídas por fases formadas por associações de ferro, carbono e outros elementos de liga, incluindo ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite (ASM International, 2024). A sua abordagem ao tratamento térmico dos aços coloca igualmente a austenite, a ferrite, a difusão do carbono, a cementite, a perlite, a bainite, a martensite e as transformações de fase no mesmo quadro fundamental. Essa ordem é importante: a estrutura presente após o tratamento depende do que se formou a partir da austenite, da forma como o carbono se deslocou e das transformações que puderam ocorrer.

A austenite como fase-mãe a alta temperatura

A austenite é a forma cúbica de faces centradas do ferro, capaz de dissolver uma quantidade de carbono substancialmente superior à da ferrite. No raciocínio habitual sobre tratamentos térmicos, é a fase-mãe a partir da qual se desenvolvem várias estruturas posteriores. Aquecer um aço adequado até à sua gama austenítica não cria directamente martensite, perlite ou bainite. Prepara uma condição inicial quimicamente e estruturalmente diferente. Durante esta fase, o carbono e os elementos de liga podem redistribuir-se, enquanto a ferrite e a cementite existentes se dissolvem em graus determinados pela composição, pelo tempo, pela temperatura e pela condição prévia.

A expressão «fase-mãe» descreve uma relação de transformação, não garante que todas as partes de um componente atinjam uma austenite idêntica. Carbonetos não dissolvidos, segregação química, dimensão dos grãos e prática de aquecimento podem deixar diferenças locais. Por conseguinte, o diagrama de fases e as temperaturas de transformação relevantes têm de ser especificados para uma determinada composição antes de se estabelecerem condições exactas de tratamento. Uma descrição geral da austenite não deve ser confundida com uma afirmação sobre a temperatura aplicável a um determinado tipo de aço.

Durante o arrefecimento, a austenite pode seguir trajectórias diferentes. Se o carbono se difundir e os átomos se reorganizarem durante tempo suficiente, podem formar-se ferrite e cementite, produzindo normalmente perlite como uma mistura organizada das duas. Noutros percursos térmicos, pode desenvolver-se bainite. Se forem evitadas as reacções dependentes da difusão, a rede da austenite pode transformar-se em martensite através de um mecanismo displacivo, enquanto alguma austenite pode permanecer como austenite retida. O Phase Transformations Group da Universidade de Cambridge distingue a ferrite alotriomórfica, a ferrite de Widmanstätten, a perlite, a bainite superior, a bainite inferior, a martensite e a cementite como descrições estruturais distintas. Assim, a austenite-mãe estabelece o campo inicial, mas o historial de arrefecimento determina quais os produtos que aparecem e com que morfologia.

A ferrite e o papel da solubilidade do carbono

A ferrite é uma fase rica em ferro com uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado. A sua característica mais importante para as transformações dos aços é a sua baixa solubilidade de equilíbrio para o carbono, em comparação com a austenite. Quando a ferrite se forma a partir da austenite, o carbono não pode permanecer uniformemente dissolvido à mesma concentração. Tem de se difundir para longe da ferrite em avanço ou acumular-se em regiões próximas capazes de acomodar mais carbono, contribuindo frequentemente para a formação de cementite.

Difusão do carbonoDifusão do carbono Movimento dos átomos de carbono através de posições intersticiais na rede cristalina do ferro, permitindo alterações de composição e transformações difusionais, como a formação de ferrite, cementite e perlite.

A difusão do carbono é o mecanismo que permite estas transformações por difusão. Os átomos de carbono deslocam-se através de posições intersticiais na rede do ferro, enquanto a matriz rica em ferro altera a sua estrutura cristalina e composição. Este movimento depende da temperatura e do tempo, embora as velocidades exactas e as temperaturas de transformação variem com a composição e tenham de ser obtidas a partir do diagrama de fases aplicável ou de dados cinéticos. Os elementos de liga podem alterar a difusão, o movimento das interfaces, a estabilidade dos carbonetos e a temperabilidade. Consequentemente, dois aços submetidos a um ciclo de arrefecimento aparentemente semelhante podem formar proporções ou morfologias diferentes de ferrite, perlite, bainite, martensite e austenite retida.

A morfologia da ferrite fornece informação sobre o modo como esta se formou. A ferrite alotriomórfica desenvolve-se normalmente ao longo dos limites dos grãos de austenite prévia, enquanto a ferrite de Widmanstätten cresce em placas ou ripas para o interior dos grãos de austenite. No aço hipoeutectóide arrefecido continuamente, Cambridge descreve o resultado convencional como ferrite alotriomórfica mais perlite. À medida que o arrefecimento se torna mais rápido, ou que a temperabilidade aumenta, a sequência de transformação pode avançar no sentido de perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida. Estas não são simplesmente versões progressivamente mais duras da ferrite. Representam distribuições de carbono, interfaces, disposições cristalinas e mecanismos de transformação diferentes.

Uma matriz ferrítica pode também conter partículas, bandas ou regiões criadas pelo historial térmico e químico anterior. Por conseguinte, a interpretação de uma micrografia exige mais do que a identificação de ferrite de aspecto claro. O analista deve perguntar onde esta se formou, o que aconteceu ao carbono rejeitado e se o constituinte envolvente é perlite, bainite ou uma região contendo carbonetos.

A cementite e o Fe₃C nas estruturas transformadas

A cementite é o carboneto de ferro Fe₃C: três átomos de ferro associados estequiometricamente a um átomo de carbono numa estrutura de composto distinta. Não é simplesmente carbono dissolvido na ferrite. A cementite forma-se quando o carbono do aço não pode permanecer na matriz ferrítica de baixa solubilidade e quando as condições químicas e térmicas locais permitem a precipitação ou o crescimento de carbonetos.[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

A perlite é habitualmente descrita como um constituinte cooperativo e estratificado de ferrite e cementite. As lamelas alternadas proporcionam uma grande área interfacial entre as duas fases. A temperatura de transformação afecta o espaçamento: a ScienceDirect identifica a perlite grosseira formada a temperaturas de transformação mais elevadas como relativamente macia, enquanto a perlite mais fina é mais resistente. A distinção resulta da morfologia e da escala, e não apenas da presença de cementite.

A cementite também ocorre em estruturas que não são perlite. A ScienceDirect descreve a bainite como uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe₃C e afirma que a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. Na bainite superior, a disposição dos carbonetos difere da observada na bainite inferior, na qual a precipitação ocorre no interior ou em estreita associação com as placas ferríticas. O aspecto exacto depende da composição e das condições de transformação.

O tratamento térmico pode alterar a forma da cementite sem alterar a sua identidade química. Cambridge regista que a esferoidização converte as lamelas de cementite perlítica em partículas (University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008). Isto reduz a geometria estratificada contínua da perlite e altera a forma como a matriz ferrítica é compartimentada pelo carboneto. Assim, o recozimento, o revenido e outros tratamentos podem alterar as propriedades através da modificação da dimensão, do espaçamento e da distribuição das partículas. A NPTEL afirma que os tratamentos térmicos alteram principalmente as propriedades mecânicas através da modificação da microestrutura (NPTEL, 2024). A quantidade, a continuidade e a morfologia da cementite fazem parte dessa explicação; a têmpera, por si só, não.

Perlita: Estrutura Lamelar e Escala Dependente do Arrefecimento

A perlita não é uma fase única. É uma associação bifásica de ferrite e cementite, normalmente representada como ferrite–Fe₃C, produzida quando a austenite se decompõe através de uma transformação controlada por difusão. A ferrite é a fase de ferro de estrutura cúbica de corpo centrado, relativamente pobre em carbono; a cementite é a fase de carboneto de ferro que acomoda o carbono rejeitado pela ferrite em crescimento. O resultado é uma microestrutura compósita, e não uma solução sólida uniforme.

Esta distinção é importante porque um aço temperado não é duro simplesmente por ter sido submetido a um arrefecimento rápido. A dureza e a resistência dependem das transformações que ocorreram, da quantidade de carbono que pôde difundir, dos elementos de liga presentes e da morfologia dos produtos formados. A ASM International afirma que as microestruturas dos aços tratados termicamente são constituídas por fases formadas por associações de ferro, carbono e outros elementos de liga, incluindo ferrite, bainite, cementite, martensite e perlita (2024). A perlita insere-se, portanto, numa sequência de produtos de transformação que também inclui bainite, martensite e austenite retida — e não num simples gráfico de macio a duro controlado apenas pela severidade da têmpera.

Formação de lamelas de ferrite e cementite

Quando a austenite se transforma em perlita, a difusão do carbono permite a formação conjunta de ferrite e cementite. A ferrite contém pouco carbono em comparação com a austenite, pelo que o carbono tem de se afastar da ferrite que avança e acumular-se na cementite adjacente. Os dois constituintes crescem de forma cooperativa: placas ou camadas de ferrite avançam ao lado de placas ou camadas de cementite, produzindo uma disposição lamelar repetida.

Uma colónia de perlita contém normalmente lamelas com uma orientação comum, enquanto diferentes colónias podem apresentar orientações distintas. Ao microscópio, o espaçamento aparente pode variar em função da direção de corte, pelo que a distância medida nem sempre corresponde ao verdadeiro espaçamento tridimensional. Ainda assim, a escala das lamelas fornece informações úteis sobre o historial da transformação. Lamelas muito próximas proporcionam uma maior área de interface ferrite–cementite por unidade de distância para a redistribuição do carbono; lamelas mais afastadas indicam crescimento em condições que permitiram um maior comprimento de difusão.

O arrefecimento contínuo produz normalmente ferrite alotriomórfica mais perlite em aço hipoeutectóide. Strong evidence

No caso do aço hipoeutectoide, a perlita normalmente não se forma isoladamente. Durante o arrefecimento contínuo, pode formar-se primeiro ferrite alotriomorfa ao longo dos limites dos antigos grãos de austenite, seguida de perlita na austenite remanescente. O University of Cambridge Phase Transformations Group descreve “ferrite alotriomorfa mais perlita” como o produto comum do arrefecimento contínuo em aço hipoeutectoide (2011). À medida que o arrefecimento se torna mais rápido, ou que a temperabilidade aumenta devido à composição, a sequência de transformação pode deslocar-se no sentido de perlita mais fina, bainite, martensite e austenite retida. A estrutura final pode, por conseguinte, conter perlita junto de ferrite proeutectoide, em vez de uma região totalmente perlítica.

A temperatura de transformação controla a escala porque controla o equilíbrio entre a nucleação, o crescimento e a difusão do carbono. A uma temperatura de transformação relativamente elevada, a difusão é comparativamente fácil. Pode nuclear-se um número menor de colónias de perlita, mas cada colónia pode crescer com um espaçamento lamelar maior. A uma temperatura de transformação mais baixa, a difusão é mais limitada e a força motriz da transformação é maior; podem formar-se muitas colónias, e as suas camadas de ferrite e cementite tornam-se mais próximas. A velocidade de arrefecimento é uma forma prática de alterar a temperatura de transformação, mas não constitui uma descrição completa. Os elementos de liga podem atrasar a transformação, modificar a atividade do carbono e alterar as temperaturas e os intervalos de tempo nos quais a perlita se forma.

Perlita grosseira e perlita fina

A perlita grosseira apresenta um espaçamento ferrite–cementite relativamente amplo. Forma-se quando a austenite se transforma a temperaturas mais elevadas, nas quais o carbono pode difundir-se por distâncias maiores durante o crescimento. A estrutura é relativamente macia em comparação com a perlita mais fina, conforme descrito na referência da ScienceDirect sobre tratamentos térmicos dos aços (2024). Esta comparação é relacional, não correspondendo a um valor universal de dureza: a composição, o tamanho das colónias, a estrutura dos antigos grãos de austenite, a dimensão da secção e os tratamentos subsequentes influenciam o resultado medido.

A perlita fina apresenta um espaçamento lamelar menor. Forma-se geralmente a uma temperatura de transformação mais baixa, na qual a difusão do carbono é menos extensa e a transformação produz uma disposição mais fina de ferrite e cementite. A ScienceDirect identifica a perlita mais fina como sendo mais resistente do que a perlita grosseira. A razão é morfológica. As lamelas de cementite mais próximas interrompem a ferrite ao longo de distâncias menores e proporcionam mais interfaces à movimentação das deslocações. Deste modo, a estrutura pode resistir mais eficazmente à deformação plástica, embora a resposta continue a depender do teor de carbono e das adições de elementos de liga.

“Fina” e “grosseira” descrevem a escala, não fases químicas distintas. Ambas as estruturas contêm ferrite e cementite, e ambas podem coexistir com outros produtos num componente efetivamente tratado termicamente. Uma curva de arrefecimento que atravesse mais do que um intervalo de transformação pode produzir ferrite e perlita numa região, bainite noutra, ou martensite onde a austenite sobreviva até ao intervalo de início da formação da martensite. A NPTEL afirma que os tratamentos térmicos alteram principalmente as propriedades mecânicas através da modificação da microestrutura (2024). A perlita demonstra claramente esse princípio: a alteração do percurso de transformação pode modificar o espaçamento e a morfologia sem alterar a identidade básica de ferrite mais cementite.

Cementite esferoidizada após tratamento prolongado[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

A perlita também pode perder a sua forma lamelar. Durante um aquecimento prolongado abaixo do intervalo de transformação eutectoide, ou durante ciclos de recozimento adequados, as lamelas de cementite desagregam-se gradualmente e transformam-se em partículas arredondadas dispersas numa matriz ferrítica. O University of Cambridge Phase Transformations Group afirma diretamente que “a esferoidização converte as lamelas de cementite perlítica em partículas” (2008).

Esta alteração reduz as interfaces de cementite, nítidas e contínuas, características da perlita. As partículas tendem a engrossar com a continuação do tratamento, porque a redução da área interfacial diminui a energia interfacial do sistema. O tamanho e o espaçamento das partículas dependem da perlita inicial, da temperatura, do tempo e dos elementos de liga; um tratamento prolongado não produz uma morfologia fixa em todos os aços.

A cementite esferoidizada continua a ser cementite, e a matriz envolvente continua a ser ferrite, mas a geometria mudou de placas alternadas para partículas dispersas. Em geral, essa geometria facilita a deformação em comparação com a perlita lamelar, particularmente durante a conformação ou a maquinação; contudo, não resulta um valor único de dureza da palavra “esferoidizada”. A interpretação correta exige a microestrutura completa: composição da ferrite, fração volúmica de cementite, tamanho e espaçamento das partículas, perlita residual e qualquer martensite ou austenite retida deixada por processamentos anteriores.

Aço hipoeutectoide durante o arrefecimento contínuo

O aço hipoeutectoide contém menos carbono do que a composição eutectoide, pelo que a austenite não se transforma em perlite de uma só vez. Durante o arrefecimento, o primeiro produto é normalmente a ferrite, seguindo-se a transformação da austenite remanescente em perlite ou, a velocidades de arrefecimento mais elevadas, noutros produtos. A estrutura final regista, portanto, uma sequência: o carbono abandona a ferrite em crescimento, a austenite residual fica enriquecida em carbono e essa austenite alterada transforma-se posteriormente de acordo com a temperatura e o tempo disponíveis.

Esta sequência explica por que razão a dureza não pode ser atribuída diretamente ao ato de temperar. A NPTEL afirma que os tratamentos térmicos alteram principalmente as propriedades mecânicas através da alteração da microestrutura, enquanto a ASM International identifica a austenite, a ferrite, a difusão do carbono, a cementite, a perlite, a bainite, a martensite e as transformações de fase como os temas fundamentais necessários para interpretar o aço tratado termicamente. O percurso de arrefecimento determina quais desses constituintes se formam, em que proporção e com que morfologia.

Ferrite alotriomórfica antes da perlite

Durante o arrefecimento a partir da região austenítica, o aço hipoeutectoide começa normalmente a formar ferrite alotriomórfica nos limites dos grãos de austenite prévia. “Alotriomórfica” descreve a ferrite cuja forma externa é controlada pela austenite circundante, e não pela sua própria forma cristalográfica. Surge frequentemente sob a forma de películas, camadas ou grãos irregulares ao longo dos antigos limites da austenite.

A ferrite contém muito pouco carbono em comparação com a austenite. À medida que cresce, o carbono é rejeitado para a austenite adjacente. Essa difusão é fundamental para a transformação: a formação de ferrite torna a austenite não transformada progressivamente mais rica em carbono, deslocando a sua composição na direção da composição eutectoide. A ferrite não é, portanto, simplesmente uma região pobre em carbono que surge de forma independente do resto da estrutura. O seu crescimento altera a composição química da austenite que permanece.

O Phase Transformations Group da University of Cambridge apresenta esta sequência como a mais clara e convencional para o aço hipoeutectoide arrefecido continuamente. A ferrite alotriomórfica forma-se primeiro e a austenite remanescente transforma-se depois em perlite. A ferrite pode formar uma rede de limites quase contínua quando a transformação ocorre suficientemente devagar, embora o aspeto exato dependa da composição, do tamanho dos grãos de austenite prévia e do ciclo de arrefecimento.

A distinção entre ferrite alotriomórfica e ferrite de Widmanstätten também é importante. Condições de transformação mais rápidas podem produzir placas ou placas laterais de ferrite que crescem para o interior da austenite, em vez da morfologia controlada pelos limites associada à ferrite alotriomórfica. Assim, uma micrografia que mostre ferrite não é suficiente para identificar o historial de arrefecimento; a sua forma e posição também devem ser examinadas.

Microestruturas de ferrite e perlite

Depois de se formar a ferrite proeutectoide, a austenite remanescente, enriquecida em carbono, transforma-se normalmente em perlite. A perlite é uma mistura cooperativa de ferrite e cementite, Fe₃C, disposta em regiões ou lamelas alternadas. O resultado é uma microestrutura de ferrite e perlite: a ferrite relativamente pobre em carbono ocupa a parte proeutectoide, enquanto a perlite contém o carbono que se concentrou na austenite residual.

Esta não apresenta um único aspeto fixo. A perlite formada a uma temperatura de transformação relativamente elevada possui um espaçamento ferrite–cementite mais amplo e é descrita pela ScienceDirect como perlite grosseira; é relativamente macia em comparação com a perlite mais fina. A uma temperatura de transformação mais baixa, as distâncias de difusão são menores e o espaçamento lamelar torna-se mais fino. A perlite fina é mais resistente porque as suas barreiras de cementite pouco espaçadas restringem de forma mais eficaz o movimento das deslocações, embora as suas propriedades também dependam da composição e da morfologia globais.

A referência de Cambridge identifica a ferrite alotriomórfica mais perlite como um resultado comum do arrefecimento contínuo do aço hipoeutectoide. Essa afirmação descreve um percurso, não uma microestrutura universal para todos os tipos de aço ou operações de arrefecimento. O teor de carbono, o manganês e outros elementos de liga, o tamanho dos grãos de austenite, a espessura da secção e o historial efetivo de temperatura–tempo influenciam o início e o fim de cada transformação.

A perlite também deve ser distinguida da cementite esferoidizada. Durante a esferoidização, o Phase Transformations Group da University of Cambridge afirma que as lamelas de cementite perlítica se transformam em partículas. Uma matriz de ferrite que contenha partículas arredondadas de cementite não é, portanto, simplesmente uma versão grosseira da perlite lamelar comum; regista um tratamento diferente e uma morfologia distinta da cementite.

Efeito de um arrefecimento mais rápido e da temperabilidade

À medida que o arrefecimento se torna mais rápido, o aço permanece menos tempo no intervalo de temperaturas em que o carbono pode difundir-se e em que a ferrite e a perlite podem crescer. A transformação pode continuar a produzir ferrite e perlite, mas a perlite torna-se mais fina e a fração de ferrite nos limites pode variar. Com um percurso de arrefecimento suficientemente alterado, a austenite evita parcial ou totalmente o intervalo de formação de ferrite e perlite.

O exemplo de arrefecimento contínuo de Cambridge coloca a perlite mais fina, a bainite, a martensite e a austenite retida ao longo desta progressão. A bainite forma-se como uma mistura não lamelar de ferrite e Fe₃C, e não como as lamelas alternadas da perlite. A bainite superior e a bainite inferior apresentam diferentes disposições da ferrite e da cementite; a ScienceDirect identifica a bainite inferior como mais dura do que a bainite superior, refletindo a sua escala mais fina e a diferente distribuição dos carbonetos.

Se o arrefecimento impedir a transformação por difusão até se atingir o intervalo martensítico, a austenite pode transformar-se em martensite através de um mecanismo de corte sem difusão. O carbono permanece retido na rede distorcida do ferro, em vez de se repartir pela ferrite e pela cementite durante o crescimento. Qualquer austenite que não se transforme em martensite pode permanecer como austenite retida. A sua quantidade depende da composição e do percurso de arrefecimento, e não apenas da têmpera.

TemperabilidadeTemperabilidade Capacidade de um aço para formar produtos de transformação mais duros ao longo de uma secção, sob uma condição de arrefecimento especificada; é distinta da dureza medida num único local.

A temperabilidade altera a extensão com que um aço pode seguir este percurso de arrefecimento mais rápido no interior de um componente real. Os elementos de liga podem atrasar as transformações da ferrite, da perlite ou da bainite, permitindo a formação de martensite em posições que se transformariam em ferrite e perlite num aço de menor temperabilidade. Uma secção espessa pode, por isso, conter estruturas diferentes desde a superfície até ao centro, mesmo quando toda a peça recebe o mesmo tratamento.

A conclusão prática é direta: o aço hipoeutectoide não passa de “macio” a “duro” através de uma única mudança. O arrefecimento contínuo pode produzir ferrite alotriomórfica mais perlite, perlite mais fina, bainite, martensite, austenite retida ou misturas destes produtos. A evidência decisiva é a sequência de transformação e a morfologia resultante.

Bainite: produtos de transformação superior, inferior e não lamelar

Bainite como estrutura de ferrite–Fe₃C

A bainite não é uma fase única e não deve ser tratada como um ponto numa escala simples de dureza. É um produto de transformação constituído principalmente por ferrite e carboneto de ferro, Fe₃C, cujas propriedades são determinadas pela disposição, dimensão e distribuição desses constituintes. A revisão de 2024 da ScienceDirect sobre o tratamento térmico dos aços define a bainite como uma “estrutura não lamelar de ferrite–Fe₃C”. Esta definição distingue a bainite da perlite ao nível morfológico: ambas contêm ferrite e cementite, mas a disposição da ferrite e da cementite é diferente.

A ferrite da bainite forma-se a partir da austenite, enquanto o carbono rejeitado pela ferrite em crescimento contribui para a formação de carbonetos ou para a redistribuição na austenite circundante. A transformação envolve, portanto, tanto a formação de regiões ferríticas como o movimento do carbono. Os elementos de liga podem alterar a atividade do carbono, a precipitação de carbonetos, o crescimento da ferrite e o intervalo de temperaturas em que a bainite se forma. A estrutura final é, consequentemente, determinada pelo percurso da transformação, e não pelo simples facto de o aço ter sido temperado ou arrefecido rapidamente.

Esta distinção é compatível com a descrição, feita pela ASM International em 2024, das microestruturas dos aços tratados termicamente como associações de ferro, carbono e outros elementos de liga que formam ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. A austenite é a estrutura-mãe a partir da qual se desenvolvem vários destes produtos. O arrefecimento altera as condições de difusão do carbono e de transformação de fase; o produto resultante pode conter mais do que um constituinte se a transformação ocorrer ao longo de um intervalo de temperaturas.

O termo “não lamelar” não significa que a bainite não possua uma disposição interna repetitiva. A ferrite bainítica surge habitualmente sob a forma de placas, ripas ou feixes, enquanto os carbonetos ocorrem entre as unidades de ferrite ou no seu interior, dependendo do produto de transformação. As interfaces e as relações cristalográficas entre a ferrite e a austenite prévia influenciam a resistência, a tenacidade e a propagação de fissuras. Uma micrografia pode, portanto, revelar uma estrutura organizada sem apresentar as placas regulares e alternadas associadas à perlite.

O mecanismo de transformação também difere de uma reorganização controlada exclusivamente por difusão a longa distância. A ferrite forma-se com uma alteração de forma relacionada com a rede cristalina da austenite, e o carbono redistribui-se depois por difusão. A precipitação de carbonetos acompanha a concentração local de carbono e as condições de transformação. Esta combinação de formação de ferrite, deslocação da rede cristalina, partição do carbono e precipitação de carbonetos explica por que razão a bainite ocupa uma posição distinta entre os produtos perlíticos e martensíticos. Não é simplesmente perlite mais fina, nem martensite com outra designação.

Bainite superior e bainite inferior

O Phase Transformations Group da University of Cambridge distingue a “bainite superior” e a “bainite inferior” como microestruturas distintas dos aços. A distinção refere-se principalmente à localização e à morfologia dos carbonetos. Na bainite superior, a ferrite forma-se habitualmente sob a forma de ripas ou placas, com a cementite a surgir preferencialmente entre unidades de ferrite adjacentes. As regiões ricas em carbonetos delimitam partes do agregado ferrítico. Na bainite inferior, formam-se partículas de carboneto ou precipitados finos de carbonetos no interior das placas de ferrite, bem como nas regiões associadas. O padrão de precipitação interna é mais fino e está mais estreitamente ligado à própria ferrite.

Estas descrições são morfológicas, mas refletem diferentes equilíbrios entre a formação de ferrite e a difusão do carbono. Nas condições associadas à bainite superior, o carbono pode redistribuir-se de forma suficiente para que o carboneto se forme predominantemente entre as ripas de ferrite. Nas condições de formação da bainite inferior, a ferrite forma-se enquanto a sobressaturação de carbono permanece significativa no seu interior, permitindo a precipitação de carbonetos dentro das unidades ferríticas. O aspeto exato depende da composição do aço, da estrutura dos grãos de austenite prévia, do historial de transformação e dos efeitos dos elementos de liga.

A bainite inferior é mais dura do que a bainite superior, de acordo com a revisão de 2024 da ScienceDirect sobre o tratamento térmico dos aços. Esta diferença não deve ser apresentada como uma consequência misteriosa de uma “têmpera mais intensa”. Unidades de ferrite mais finas, a precipitação interna de carbonetos e as barreiras resultantes ao movimento das deslocações contribuem para a maior dureza associada à bainite inferior. A bainite superior possui uma disposição diferente dos carbonetos e, em geral, proporciona um equilíbrio diferente entre resistência e tenacidade. Nenhuma destas designações, por si só, permite prever completamente as propriedades mecânicas, uma vez que são frequentes os produtos mistos e as variações de escala.

Um aço hipoeutectoide arrefecido continuamente pode não se transformar num único constituinte uniforme. O estudo de 2011 da Cambridge sobre microestruturas mistas afirma que o arrefecimento contínuo produz habitualmente ferrite alotriomórfica mais perlite, enquanto um arrefecimento progressivamente mais rápido ou uma maior temperabilidade podem produzir perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida. Uma única amostra pode, portanto, conter ferrite proeutectoide, perlite, bainite superior, bainite inferior, martensite ou austenite retida em regiões diferentes. A sequência de transformação é tão importante como a designação nominal do tratamento térmico.

Por que razão a bainite não deve ser descrita como perlite fina

Designar a bainite como “perlita fina” é incorreto, porque confunde composição com estrutura. Ambos os produtos podem conter ferrite e Fe₃C, mas a perlite é definida por uma disposição lamelar: placas alternadas de ferrite e cementite produzidas durante a transformação eutectoide. A bainite é definida por uma disposição não lamelar de ferrite e cementite. O refinamento da perlite reduz o espaçamento lamelar; não converte essas lamelas em placas de ferrite bainítica nem nas distribuições de carbonetos características da bainite.

A revisão de 2024 da ScienceDirect estabelece diretamente o contraste: a perlite grosseira formada a temperaturas de transformação mais elevadas é relativamente macia, a perlite mais fina é mais resistente, a bainite é uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe₃C e a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. As duas primeiras afirmações descrevem a escala dentro de uma mesma morfologia. As afirmações seguintes identificam uma morfologia diferente e distinguem depois duas formas de bainite. A dureza varia em ambos os casos, mas a razão estrutural não é a mesma.

A distinção também se mantém após tratamentos térmicos posteriores. A Cambridge comunicou, em 2008, que a esferoidização converte as lamelas de cementite da perlite em partículas. Esse tratamento altera a morfologia dos carbonetos da perlite, mas o produto continua a ser uma estrutura perlítica esferoidizada, e não bainite. Inversamente, o revenido de uma estrutura martensítica produz precipitação de carbonetos no interior de uma matriz ferrítica, mas isso não transforma retroativamente a estrutura em bainite. As designações descrevem o historial de transformação e a morfologia, e não apenas os elementos presentes.

A NPTEL afirmou, em 2024, que os tratamentos térmicos alteram as propriedades mecânicas principalmente através da alteração da microestrutura. A bainite demonstra por que razão este princípio é importante. A sua dureza depende de o produto ser bainite superior ou inferior, da dimensão das unidades de ferrite, da posição e da escala dos carbonetos, dos elementos de liga e da eventual presença de martensite, perlite, ferrite ou austenite retida adjacentes. A têmpera é apenas uma parte do historial. A evidência decisiva é a estrutura deixada pela transformação de fase e pela redistribuição do carbono.

Martensite e Austenite Retida Após Arrefecimento Rápido

Martensite como produto do arrefecimento rápido

A martensite forma-se quando a austenite é arrefecida com rapidez suficiente para que as reações difusionais que produzem ferrite, cementite, perlite ou bainite não a consigam consumir totalmente primeiro. O carbono permanece, por isso, associado à rede cristalina de ferro em transformação, em vez de se repartir completamente pela cementite ou de se difundir para o exterior. O resultado é um produto de transformação sobressaturado, cuja estrutura e morfologia dependem do teor de carbono, dos elementos de liga, da estrutura dos grãos de austenite prévia e do percurso térmico.

Isto não equivale a afirmar que o «têmpera» cria dureza como efeito físico direto. A têmpera altera o tempo disponível para os átomos se moverem e para as fases concorrentes se formarem. A martensite resultante pode aumentar a dureza porque a sua estrutura contendo carbono resiste à deformação plástica, mas a propriedade final depende da quantidade de martensite formada, dos outros constituintes que permanecem e de o aço ter sido posteriormente revenido. Um componente temperado pode conter martensite juntamente com bainite, perlite, ferrite ou austenite retida.

O University of Cambridge Phase Transformations Group enquadra a martensite numa progressão de produtos obtidos a partir de aço hipoeutectoide arrefecido continuamente. Com arrefecimento relativamente lento ou baixa temperabilidade, a estrutura começa normalmente por ferrite alotriomórfica e perlite. Com arrefecimento mais rápido ou maior temperabilidade, os produtos evoluem no sentido de perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida. Esta progressão descreve percursos de transformação concorrentes, não uma mudança que converta automaticamente todas as partes de uma secção num único constituinte.

Os elementos de liga afetam essa concorrência ao alterarem a cinética das transformações difusionais e a temperabilidade do aço. A espessura da secção é importante pela mesma razão: a superfície e o núcleo podem seguir percursos de arrefecimento diferentes. Uma superfície pode atingir uma condição martensítica, enquanto o interior permanece tempo suficiente num intervalo de formação de ferrite, perlite ou bainite. Mesmo no interior de um único grão de austenite prévia, a composição local e a história térmica podem influenciar a sequência de transformação.

O enquadramento de tratamentos térmicos do NPTEL relaciona esta sequência com as propriedades de engenharia: «Os tratamentos térmicos alteram principalmente as propriedades mecânicas através da alteração da microestrutura» (NPTEL, 2024). A têmpera é discutida como um tratamento de endurecimento porque favorece uma estrutura que contém martensite; o revenido altera depois essa estrutura e a distribuição do carbono. Por conseguinte, a designação do processo é incompleta sem as fases resultantes. «Temperado» identifica um tratamento térmico, não um diagnóstico microestrutural garantido.

Austenite retida em aço arrefecido continuamente

A austenite retida é a fração de austenite que permanece após o arrefecimento, em vez de se transformar em martensite ou noutro produto. Não se trata simplesmente de material não transformado à espera de que a têmpera termine. A sua persistência reflete a composição do aço, a condição da austenite prévia, o percurso de arrefecimento e o grau em que outras transformações já consumiram ou alteraram a austenite.

O enriquecimento em carbono é uma via importante para a sua estabilização. Quando se formam ferrite, bainite ou outros produtos, o carbono pode ser rejeitado para a austenite remanescente. Os elementos de liga também podem alterar a cinética de transformação e a estabilidade da austenite. Consequentemente, um aço arrefecido continuamente pode conter martensite formada a partir de uma parte da austenite, enquanto outra parte sobrevive como austenite retida.

A referência de Cambridge inclui especificamente a austenite retida entre os possíveis produtos de um aço hipoeutectoide arrefecido mais rapidamente ou com maior temperabilidade. Este aspeto é importante porque um aço pode ser fortemente afetado pelo arrefecimento rápido sem se tornar totalmente martensítico. Uma micrografia pode mostrar uma matriz predominantemente martensítica com pequenas quantidades de austenite retida, ou uma mistura contendo ferrite, bainite e martensite, na qual a austenite retida se concentra entre regiões transformadas.

A austenite retida também torna inadequada a utilização da palavra «dureza» como resumo da estrutura. A austenite é geralmente mais deformável do que a martensite, mas a sua presença não produz um único valor fixo de dureza, independente da composição e da morfologia. Pode transformar-se durante um carregamento mecânico subsequente, durante o arrefecimento ou durante o revenido, alterando as dimensões e as tensões internas. A quantidade e a distribuição são tão importantes como a sua designação. Películas finas entre regiões bainíticas ou martensíticas não têm o mesmo efeito estrutural que ilhas maiores.

A interpretação correta deve, por conseguinte, basear-se nas fases. Deve identificar-se a quantidade de austenite que se transformou, quais os produtos que se formaram primeiro, para onde se deslocou o carbono e quais os constituintes que permanecem após o arrefecimento. A abordagem de 2024 da ASM International descreve as microestruturas de aços tratados termicamente como associações de ferro, carbono e outros elementos de liga que formam ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. A austenite, a difusão do carbono e as transformações de fase constituem o enquadramento para compreender por que motivo surge a austenite retida.

Por que motivo a têmpera não garante um resultado monofásico

Uma têmpera é uma operação de arrefecimento com uma severidade e uma história térmica específicas, não uma garantia de obtenção de uma única fase. O percurso de arrefecimento necessário depende da composição do aço e da geometria da secção. Se alguma região arrefecer suficientemente devagar para permitir a formação de ferrite, perlite ou bainite antes de a martensite se poder desenvolver, esses produtos permanecerão após a têmpera. Se uma parte da austenite não se transformar durante o percurso de arrefecimento disponível, também permanecerá austenite retida.

É por isso que um aço hipoeutectoide temperado pode conter ferrite alotriomórfica e martensite, bainite e martensite, ou martensite e austenite retida. Noutra localização, especialmente no sentido de um núcleo arrefecido mais lentamente, a perlite pode coexistir com bainite e ferrite. A estrutura final regista o percurso através dos campos de transformação, e não o nome da operação realizada no forno.

A velocidade de arrefecimento, por si só, também não explica todos os resultados. O carbono e os elementos de liga alteram a difusão, a estabilidade das fases e a temperabilidade. O tamanho dos grãos de austenite prévia, a prática de austenitização, a condição da superfície e a espessura da secção afetam os percursos de transformação disponíveis. Uma têmpera pode suprimir algumas reações difusionais sem as suprimir todas. A consequência é frequentemente uma estrutura de constituintes mista.

A síntese de 2024 sobre tratamentos térmicos de aços da ScienceDirect ilustra a importância destas distinções: a perlite grosseira formada a temperaturas de transformação mais elevadas é relativamente macia, a perlite mais fina é mais resistente, a bainite é uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe3C e a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. A martensite é apenas um dos membros desta família. A resposta mecânica final resulta da associação, da escala e da distribuição dos produtos, e não apenas da designação do arrefecimento.

Uma descrição microestrutural rigorosa deve, por conseguinte, indicar os constituintes efetivamente presentes. «Aço temperado» pode ser uma descrição útil da história de processamento; não é suficiente como descrição das fases. A referência à martensite deve ser acompanhada da possível presença de austenite retida e de outros produtos de transformação. Esta distinção evita o erro comum de considerar o arrefecimento rápido um mecanismo de endurecimento monofásico garantido.

Como os tratamentos térmicos reorganizam a microestrutura

O NPTEL classifica as principais vias de tratamento térmico do aço de acordo com o efeito pretendido: a têmpera e a cementação são tratamentos de endurecimento, enquanto o revenido, o recozimento e o alívio de tensões são tratamentos de amolecimento. Esta divisão é útil, mas “endurecimento” e “amolecimento” descrevem o resultado apenas de forma indireta. O acontecimento decisivo é a reorganização das fases e do carbono. Em 2024, o NPTEL afirmou que os tratamentos térmicos alteram principalmente as propriedades mecânicas através da alteração da microestrutura. A ASM International torna este enquadramento mais específico: o aço tratado termicamente contém fases formadas por associações de ferro, carbono e elementos de liga, incluindo ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite.

Um tratamento não cria, portanto, a dureza como uma propriedade autónoma. Altera a austenite, convertendo-a numa mistura selecionada de produtos de transformação, ou modifica a forma, o espaçamento e a distribuição das fases já presentes. A velocidade de arrefecimento, o teor de carbono, as adições de elementos de liga e a dimensão da secção determinam quais as transformações que podem ocorrer antes de o aço atingir um estado a temperatura mais baixa.

Têmpera e cementação como tratamentos de endurecimento

A têmpera procura suprimir as transformações por difusão enquanto a austenite arrefece. Durante um arrefecimento mais lento, o carbono pode deslocar-se através da rede cristalina do ferro, permitindo a formação de ferrite e cementite sob a forma de perlite, ou o desenvolvimento de ferrite bainítica e cementite. Uma têmpera suficientemente rápida interrompe grande parte dessa redistribuição. A austenite transforma-se então, através de um mecanismo de corte sem difusão, em martensite, cuja rede sobressaturada em carbono apresenta um elevado nível de deformação.

É por isso que a têmpera não é descrita com rigor como “arrefecer o aço para o tornar duro”. A estrutura resultante pode conter martensite, mas também pode conter austenite retida não transformada e, quando o arrefecimento ou a temperabilidade são insuficientes, bainite ou perlite. Os elementos de liga alteram a temperabilidade ao modificarem a cinética das transformações; não acrescentam simplesmente dureza de forma isolada. Um aço hipoeutectoide que arrefeça continuamente pode produzir ferrite alotriomórfica e perlite, conforme comunicou o University of Cambridge Phase Transformations Group em 2011. Com um arrefecimento mais rápido ou uma maior temperabilidade, a sequência desloca-se no sentido de perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida.

A cementação altera a distribuição do carbono antes da etapa final de endurecimento. O carbono difunde-se para a superfície de um aço de baixo teor de carbono, criando uma camada superficial enriquecida em carbono e um interior com menor teor de carbono. A têmpera subsequente transforma a camada superficial em direcção a martensite de elevado teor de carbono, enquanto o núcleo segue o comportamento de transformação permitido pela sua composição original e pelo percurso de arrefecimento aplicado. A característica microestrutural importante é o gradiente de carbono: a camada superficial e o núcleo não começam com a mesma composição química da austenite, pelo que não têm necessariamente de formar produtos idênticos.

A cementação é, assim, uma preparação possibilitada pela difusão, seguida da supressão rápida das transformações. A difusão do carbono é central durante o enriquecimento, mas limitada durante a têmpera. O tratamento não equivale à têmpera de um material uniformemente rico em carbono, e a estrutura final deve ser examinada ao longo da secção, em vez de ser inferida a partir de um valor de dureza superficial.

Revenido após uma estrutura endurecida

O revenido pertence ao grupo dos tratamentos de amolecimento do NPTEL porque reduz a deformação extrema e a fragilidade associadas à martensite após a têmpera. Não elimina simplesmente a estrutura endurecida. Em vez disso, o carbono redistribui-se a partir da rede martensítica sobressaturada, e formam-se fases de carbonetos, ou estas tornam-se mais estáveis, à medida que a estrutura evolui para martensite revenida.

Os produtos exactos dependem do teor de carbono e dos elementos de liga do aço, bem como das condições de revenido, pelo que não existe uma microestrutura de revenido universal. Em termos gerais, o tratamento reduz a distorção da rede, altera a morfologia e a distribuição dos carbonetos e permite que a austenite retida se decomponha ou se transforme em alguns aços. O resultado é normalmente uma matriz ferrítica contendo carbonetos finamente dispersos, em vez da martensite sobressaturada em carbono produzida directamente pela têmpera.

Esta alteração explica por que razão o revenido pode reduzir a dureza após a têmpera, melhorando simultaneamente a resistência à fissuração e aos danos provocados por impacto. O contraste relevante é entre carbono retido e carbono redistribuído. A têmpera deixa o carbono numa configuração martensítica deformada; o revenido proporciona ao carbono um percurso para a formação de carbonetos e para a partição química. Um aço temperado e revenido não é, portanto, “aço temperado com menos dureza”, mas uma associação diferente de fases da matriz e de carbonetos.

A austenite retida também é importante. Se permanecer após a têmpera, o revenido posterior pode alterar a sua estabilidade, e a sua transformação pode afectar a estabilidade dimensional e a mistura final de fases. O resultado deve, por isso, ser interpretado a partir da sequência completa: austenitização, têmpera, austenite retida e revenido — e não apenas da operação de revenido.

Recozimento e alívio de tensões

O recozimento utiliza a difusão e um arrefecimento controlado para conduzir o aço no sentido de uma estrutura de menor energia e com maior redistribuição química. Em comparação com a têmpera, proporciona ao carbono mais oportunidades para se repartir entre a ferrite e a cementite. Dependendo da composição e do estado anterior, os produtos podem incluir ferrite com perlite grosseira, perlite mais fina ou partículas de cementite esferoidizadas numa matriz ferrítica.

A temperatura de transformação afecta a morfologia. A análise geral de 2024 sobre tratamentos térmicos de aços da ScienceDirect distingue a perlite grosseira relativamente macia, formada a temperaturas de transformação mais elevadas, da perlite fina, mais resistente. Identifica também a bainite como uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe3C e a bainite inferior como mais dura do que a bainite superior. Estas distinções mostram por que razão “recozido” não constitui uma descrição microestrutural completa: o espaçamento da cementite, a estrutura dos grãos de ferrite e qualquer bainite ou martensite remanescente continuam a ser importantes.

A esferoidização é uma alteração particularmente clara controlada pela difusão. O University of Cambridge Phase Transformations Group declarou, em 2008, que a esferoidização converte as lamelas de cementite perlítica em partículas. As placas contínuas de cementite tornam-se partículas arredondadas, reduzindo a geometria interfacial entre a ferrite e a cementite. Consequentemente, o aço pode tornar-se mais fácil de deformar, mas o acontecimento central é o engrossamento morfológico e a redistribuição, não uma perda inexplicada de dureza.

O alívio de tensões ocupa uma posição mais específica. Destina-se principalmente a reduzir as tensões residuais resultantes de soldadura, maquinagem, conformação ou arrefecimento não uniforme, sem substituir deliberadamente a constituição principal das fases. A difusão atómica permite o relaxamento das tensões locais, enquanto o tratamento permanece abaixo do intervalo em que se pretende uma transformação importante. Contudo, se as condições forem excessivas, podem ocorrer recuperação, revenido, precipitação ou transformação de fases. O alívio de tensões não constitui, portanto, uma garantia de neutralidade relativamente às fases; o seu efeito microestrutural depende do aço e da exposição térmica.

Nas três vias, o contraste determinante é claro: a têmpera restringe a difusão e preserva um produto de transformação deformado, enquanto o revenido, o recozimento e o alívio de tensões proporcionam graus variáveis de tempo para a redistribuição do carbono, a reorganização dos carbonetos, a recuperação ou o engrossamento.

Leitura de Microestruturas Mistas em Metalografia

Uma secção de aço tratada termicamente raramente contém um único constituinte perfeitamente uniforme. Um aço hipoeutectoide arrefecido continuamente a partir da austenite pode apresentar ferrite alotriomórfica nos limites dos grãos de austenite prévia, perlite nas regiões restantes e áreas menores de bainite ou martensite onde as condições locais de arrefecimento foram diferentes. A interpretação correta começa pelo historial de transformação, e não por uma classificação de dureza. A NPTEL afirma que os tratamentos térmicos alteram principalmente as propriedades mecânicas através da alteração da microestrutura; a dureza é, portanto, um resultado da estrutura, da composição e da morfologia, e não o nome visual de uma fase.

Reconhecer ferrite, perlite, bainite e martensite em conjunto

Comece com uma ampliação reduzida. Registe a distribuição das regiões antes de atribuir nomes aos constituintes individuais. Procure uma matriz contínua, decoração dos limites, colónias, pacotes, agulhas, ripas e partículas isoladas. Em seguida, aumente a ampliação e examine a estrutura interna de cada região.

A ferrite é geralmente o constituinte menos intensamente atacado numa amostra de aço-carbono preparada de forma convencional. A ferrite alotriomórfica forma-se frequentemente primeiro ao longo dos limites dos grãos de austenite prévia em aço hipoeutectoide, produzindo películas de limite relativamente lisas, poligonais ou irregulares. Também pode ocorrer sob a forma de regiões equiaxiais maiores. A ferrite de Widmanstätten apresenta um aspecto diferente: cresce sob a forma de placas ou placas laterais a partir dos limites dos grãos de austenite, penetrando nos grãos de austenite. Contudo, um aspecto semelhante a placas, por si só, não prova que o constituinte seja ferrite de Widmanstätten.

A perlite é reconhecida por colónias que contêm ferrite e cementite alternadas. Com uma ampliação reduzida, uma colónia pode parecer uma ilha escura; com uma ampliação maior, podem ser resolvidas lamelas adequadamente orientadas. Outras colónias podem permanecer escuras porque as suas lamelas estão quase paralelas à direção de observação ou porque o contraste do ataque é fraco. A perlite grosseira regista geralmente uma transformação a uma temperatura mais elevada do que a perlite fina. A ScienceDirect descreve a perlite grosseira como relativamente macia e a perlite fina como mais resistente, mas o contraste observado continua a depender do polimento, do ataque, da orientação da secção e da composição da liga.

A bainite ocupa uma posição interpretativa intermédia, porque a sua disposição de ferrite–cementite não é lamelar no sentido perlite. A bainite superior apresenta geralmente grupos de ripas ou placas de ferrite com cementite entre elas, enquanto a bainite inferior contém disposições mais finas de carbonetos no interior ou nas proximidades das placas de ferrite. De acordo com a referência da ScienceDirect sobre tratamentos térmicos de aços, a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. Não designar como bainite todas as regiões escuras aciculares: martensite não revenida, bainite inferior e perlite fortemente atacada podem ter aspectos sobrepostos.

A martensite apresenta geralmente uma morfologia em ripas em muitos aços de baixo e médio teor de carbono e uma morfologia em placas em alguns aços de maior teor de carbono ou ligados. Podem ser visíveis pacotes de ripas e regiões blocadas, mas a microscopia ótica frequentemente não permite estabelecer esta distinção com segurança. A martensite também pode estar misturada com ferrite, bainite, carbonetos e austenite retida, especialmente quando a temperabilidade, o tamanho da secção ou o arrefecimento não são uniformes. Um constituinte escuro num limite de grão de austenite prévia não é automaticamente martensite; a ferrite de limite e as películas de carbonetos podem produzir um contraste semelhante.

É por isso que o Cambridge Phase Transformations Group descreve o arrefecimento contínuo em aço hipoeutectoide como produzindo frequentemente ferrite alotriomórfica e perlite, com misturas progressivamente diferentes que envolvem perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida à medida que o arrefecimento se torna mais rápido ou a temperabilidade aumenta. A sequência constitui um quadro de referência útil, mas não substitui o exame.

Morfologia versus identificação de fases

A morfologia descreve a forma e a disposição. A identificação de fases estabelece o que é a região. As duas tarefas sobrepõem-se, mas não são intercambiáveis.

Utilize a morfologia para formular uma hipótese. Uma película de limite sugere ferrite alotriomórfica; placas paralelas sugerem ferrite de Widmanstätten; colónias sugerem perlite; grupos de ripas sugerem bainite ou martensite. Em seguida, teste essa hipótese com base na química e na cristalografia. O ataque seletivo, a luz polarizada quando apropriado, a microscopia eletrónica de varrimento, a difração de eletrões retrodispersados, a microscopia eletrónica de transmissão ou a difração de raios X podem fornecer evidências que o aspeto ótico não permite obter.

A preparação pode alterar a resposta aparente. Um ataque excessivo alarga os limites e escurece os constituintes finos. Um polimento deficiente pode arrancar cementite ou deixar deformação que se assemelha a martensite. A orientação da secção pode ocultar as lamelas da perlite, enquanto um corte bidimensional através de uma estrutura tridimensional de ripas pode fazer com que a bainite pareça granular. A ampliação também é importante: uma região que parece homogénea a 200× pode revelar-se constituída por ferrite e cementite a 5 000×.

Assim, um relatório rigoroso deve separar a observação da interpretação: “colónias escuras com lamelas parcialmente resolvidas” é uma observação; “perlite” é uma interpretação apoiada por essa observação e, quando necessário, por evidências de maior resolução ou analíticas. O tratamento de 2024 da ASM International coloca a austenite, a ferrite, a difusão do carbono, a bainite, a cementite, a martensite, a perlite e as transformações de fases no mesmo quadro interpretativo. Isto recorda-nos que nenhuma característica visual isolada contém todo o diagnóstico.

Austenite retida e morfologia da cementite

A austenite retida é a austenite que permanece após o arrefecimento, em vez de se transformar completamente. Numa estrutura martensítica, pode surgir como películas finas entre ripas, ilhas blocadas entre pacotes ou regiões irregulares junto de áreas enriquecidas em carbono. O contraste varia muito em função do reagente de ataque e do modo de obtenção da imagem, pelo que uma região clara entre ripas de martensite não deve ser identificada como austenite retida apenas com base no seu aspeto. Pode ser necessária difração de raios X, EBSD ou a utilização de métodos metalográficos cuidadosamente validados.

A cementite, Fe₃C, é igualmente importante, porque a sua forma regista a maneira como o carbono foi redistribuído. Na perlite, forma lamelas com a ferrite. Na bainite, ocorre sob a forma de partículas discretas ou películas associadas a placas de ferrite, embora a disposição seja diferente entre a bainite superior e a bainite inferior. No aço esferoidizado, as lamelas de cementite da perlite transformaram-se em partículas arredondadas. O Cambridge Phase Transformations Group afirma explicitamente, em 2008, que a esferoidização converte as lamelas de cementite perlítica em partículas.

Por fim, relacione cada constituinte observado com o percurso térmico: condição de austenitização, difusão do carbono, continuidade do arrefecimento, interrupção da transformação e qualquer revenido ou recozimento subsequente. Uma imagem mista não significa, por definição, que o tratamento tenha falhado. É um registo dos locais onde as transformações começaram, pararam ou avançaram a velocidades diferentes.

Da microestrutura às propriedades mecânicas

Resistência, dureza e morfologia das transformações

As propriedades mecânicas desenvolvem-se a partir da estrutura produzida durante a transformação, e não apenas da palavra têmpera. Em 2024, o NPTEL afirma que “os tratamentos térmicos alteram as propriedades mecânicas principalmente através da alteração da microestrutura”. A têmpera altera o percurso térmico a partir da austenite, mas a dureza resultante depende das transformações que ocorrem, da quantidade formada de cada constituinte e da forma como esses constituintes se encontram distribuídos.

A ASM International descreve as microestruturas dos aços tratados termicamente como associações de ferro, carbono e elementos de liga que formam ferrite, bainite, cementite, martensite e perlita. A austenite é a fase-mãe de muitos tratamentos, enquanto a difusão do carbono e a competição entre os mecanismos de transformação determinam os produtos que a substituem. Um aço hipoeutectoide arrefecido lenta ou moderadamente pode conter ferrite alotriomórfica e perlita; um percurso mais rápido pode produzir perlita mais fina, bainite, martensite ou austenite retida, dependendo da composição e da temperabilidade. O University of Cambridge Phase Transformations Group descreveu esta progressão para aço hipoeutectoide arrefecido continuamente em 2011.

A morfologia é tão importante como o nome da fase. Os grãos de ferrite, as partículas de cementite, as colónias de perlita, as placas de ferrite bainítica, os pacotes de martensite e as regiões de austenite retida não resistem à deformação da mesma forma nem distribuem as tensões da mesma forma. Um aço que contenha uma pequena fracção de martensite numa matriz ferrítica não é mecanicamente equivalente a um aço constituído maioritariamente por martensite com ferrite isolada. Ambos podem ser descritos como “aço martensítico”, mas a sua resistência, dureza, ductilidade e resposta à fratura podem diferir substancialmente.

A martensite aumenta normalmente a dureza porque o carbono fica retido numa rede de ferro sobressaturada e distorcida durante a transformação sem difusão da austenite em martensite. Contudo, esta descrição não fornece um valor universal de dureza. O teor de carbono, o tamanho de grão da austenite prévia, os elementos de liga, a severidade da têmpera, a dimensão da secção, o revenido e a austenite retida influenciam todos o resultado. O revenido altera depois a estrutura martensítica ao permitir a redistribuição do carbono e a formação de carbonetos, reduzindo normalmente a dureza após a têmpera, mas melhorando a estabilidade dimensional e a tenacidade.

A austenite retida também complica uma simples hierarquização da dureza. Em muitos aços endurecidos, é mais macia do que a martensite não revenida, mas pode transformar-se durante o serviço ou o ensaio, alterando as dimensões e as tensões locais. A morfologia da cementite também é importante. A referência de Cambridge de 2008 afirma que a esferoidização converte as lamelas de cementite da perlita em partículas. A disposição resultante de ferrite–cementite deforma-se geralmente de forma diferente da perlita lamelar; por isso, “perlita” por si só não é uma descrição suficiente da condição mecânica.

O papel da escala da perlita e do tipo de bainite

A perlita é constituída por ferrite e cementite formadas em conjunto, normalmente sob a forma de lamelas alternadas. A sua resistência é fortemente afectada pela escala da perlita, isto é, pelo espaçamento e pela finura dessas lamelas e pelo tamanho das colónias de perlita. A síntese de 2024 da ScienceDirect sobre tratamentos térmicos de aços identifica a perlita grosseira formada a temperaturas de transformação mais elevadas como relativamente macia e a perlita mais fina como mais resistente. As lamelas de cementite muito próximas umas das outras dificultam o movimento das deslocações de forma mais eficaz do que as lamelas mais afastadas, enquanto as colónias finas também reduzem a distância ao longo da qual a deformação se pode concentrar.

Isto não significa que todos os aços perlíticos finos tenham a mesma resistência. A composição química da ferrite, o teor de carbono, o tamanho das colónias, a fracção de perlita e qualquer ferrite proeutectoide presente continuam a ser importantes. Uma estrutura hipoeutectoide com ferrite abundante e perlita fina pode ser mais fraca do que uma estrutura com maior teor de carbono e uma fracção de perlita mais elevada, mesmo quando ambas contêm “perlita fina”. A distribuição é decisiva: regiões contínuas de ferrite, constituintes em bandas e colónias isoladas produzem percursos de deformação diferentes.[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

A bainite exige o mesmo cuidado. A ScienceDirect descreve a bainite como uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe3C e afirma que a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. A bainite superior contém geralmente ferrite formada numa disposição semelhante a feixes, com cementite entre as regiões de ferrite, enquanto a bainite inferior se forma a uma gama de transformação mais baixa e coloca carbonetos finos no interior ou estreitamente associados às placas de ferrite. A distribuição mais fina dos carbonetos torna a bainite inferior mais resistente ao movimento das deslocações.

Assim, uma designação como “bainítica” deixa por especificar informações críticas. A distinção entre bainite superior e inferior, o tamanho e a posição dos carbonetos, a morfologia da ferrite, a fracção de constituintes e a presença de martensite ou austenite retida afectam todas as propriedades medidas. As estruturas mistas são comuns após o arrefecimento contínuo, sobretudo quando diferentes partes de uma secção seguem histórias térmicas diferentes. Uma superfície pode conter martensite, enquanto o interior contém bainite, perlita ou ferrite. A dureza varia então com a profundidade, em vez de assumir um único valor para todo o componente.

Por que razão a composição e a temperabilidade continuam a ser essenciais

A composição controla tanto os produtos de transformação disponíveis como as temperaturas e os tempos a que se formam. O carbono afecta a estabilidade da austenite, a quantidade de cementite que se pode desenvolver e o potencial de dureza da martensite. Os elementos de liga alteram a cinética das transformações, a formação de carbonetos, a difusão e a temperabilidade. A temperabilidade não é o mesmo que a dureza: descreve a capacidade de um aço para formar produtos de transformação mais duros ao longo de uma secção, sob uma condição de arrefecimento especificada.

A dimensão da secção torna esta distinção prática. Uma secção pequena pode arrefecer rapidamente em toda a sua extensão, enquanto uma secção grande desenvolve um percurso de arrefecimento interior mais lento. A mesma composição e o mesmo ciclo do forno podem, portanto, produzir martensite junto à superfície, mas perlita ou bainite no centro. O meio de têmpera, a agitação, o tratamento de austenitização, o tempo de transferência e o ciclo de revenido acrescentam outras fontes de variação.

Por essa razão, não se pode atribuir um valor universal de propriedade à ferrite, à perlita, à bainite, à martensite ou a um tratamento térmico designado sem especificar a composição, a dimensão da secção, o ciclo de tratamento e o método de ensaio. A dureza medida pelos métodos de Vickers, Brinell ou Rockwell não é intercambiável sem os devidos cuidados, e um resultado de dureza não permite prever completamente a tenacidade, a ductilidade, o desempenho à fadiga ou o comportamento à fratura. Uma interpretação defensável começa pela microestrutura completa: fracções dos constituintes, morfologia, escala, distribuição e história de transformação. A têmpera é apenas um acontecimento nessa sequência.

Sequência de Referência Prática para a Análise do Tratamento Térmico do Aço

Começar pela composição e pelo estado inicial do aço

Comece pela identificação do material, não pela dureza medida. Registe a designação do grau exatamente como foi fornecida, a norma aplicável e, quando conhecida, a corrida ou a forma do produto. Uma indicação como “AISI/SAE 1045, normalizado” transmite mais informação do que “aço de dureza média”; uma indicação como “ASTM A36” identifica uma especificação, mas não estabelece, por si só, o historial térmico anterior nem a microestrutura final. A análise química deve incluir carbono, manganês, silício, crómio, molibdénio, níquel, vanádio e outras adições deliberadas, bem como os elementos residuais quando estes possam afetar a transformação.

O teor de carbono determina se um aço-carbono simples é hipoeutectoide, eutectoide ou hipereutectoide relativamente à composição eutectoide. Num aço hipoeutectoide, o arrefecimento a partir da austenite permite normalmente a formação de ferrite proeutectoide antes de a austenite remanescente se transformar em perlite. Esta distinção é importante: ferrite mais perlite não constitui a mesma estrutura que apenas perlite, mesmo quando ambas as amostras apresentam leituras de dureza semelhantes.

O estado inicial também deve ser registado. Os estados tal como recebido, laminado a quente, normalizado, recozido, temperado e revenido, cementado e deformado a frio envolvem diferentes tamanhos de grão, distribuições de carbonetos, tensões residuais e historial da austenite prévia. O aço esferoidizado é um caso particularmente importante. O University of Cambridge Phase Transformations Group afirmou, em 2008, que a esferoidização converte as lamelas de cementite perlítica em partículas. Os constituintes nominais permanecem ferrite e cementite, mas a sua geometria altera a resposta a aquecimento, deformação e endurecimento posteriores.

O tamanho de grão e a segregação merecem ser incluídos no registo. Uma estrutura de grão grosseira da austenite prévia pode promover morfologias de transformação diferentes das de uma estrutura fina, enquanto a bandagem pode produzir distribuições de ferrite, perlite ou martensite dependentes da direção. Por conseguinte, “ferrite” é uma observação incompleta, a menos que também sejam descritas a sua localização e a sua forma.

Reconstruir o percurso de aquecimento e arrefecimento

Em seguida, reconstrua o percurso térmico como uma sequência, em vez de atribuir simplesmente um nome ao tratamento. Registe a temperatura inicial, a velocidade de aquecimento quando disponível, a temperatura de austenitização e o tempo de manutenção, o estado do forno ou da atmosfera, o tempo de transferência, o meio de têmpera, a agitação, as interrupções do arrefecimento e qualquer etapa de reaquecimento ou revenido. “Temperado” descreve uma operação; não prova que toda a secção se tenha tornado martensítica.

Comece por perguntar que fases existiam durante o aquecimento. O recozimento ou a normalização podem dissolver parte da cementite e produzir austenite, enquanto um tratamento intercrítico pode deixar ferrite não dissolvida. A cementação altera o perfil de carbono, pelo que a superfície e o núcleo seguem percursos de transformação diferentes durante o arrefecimento. A descarburação pode produzir o gradiente oposto. Um único valor de dureza pode ocultar ambas as condições.

Em seguida, identifique a provável janela de transformação. A difusão do carbono permite a redistribuição da ferrite e da cementite durante as transformações difusionais. A temperaturas de transformação mais elevadas, a perlite apresenta geralmente um espaçamento mais grosseiro; a síntese de 2024 da ScienceDirect sobre tratamento térmico de aços descreve a perlite grosseira como relativamente macia e a perlite mais fina como mais resistente. A mesma fonte define a bainite como uma estrutura não lamelar de ferrite–Fe3C e afirma que a bainite inferior é mais dura do que a bainite superior. Estas são distinções morfológicas e transformacionais, não meramente pontos numa escala de dureza.

A velocidade de arrefecimento, a espessura da secção, os elementos de liga e o tamanho de grão da austenite prévia controlam as transformações que podem ocorrer antes de o aço atingir temperaturas mais baixas. O crómio, o molibdénio, o manganês e o níquel podem alterar a difusão, o momento da transformação e a temperabilidade. Um arrefecimento mais rápido pode suprimir a ferrite e a perlite difusionais e permitir a formação de bainite ou martensite, mas o resultado pode continuar a ser misto, porque o arrefecimento raramente é idêntico em toda a extensão de um componente. A austenite retida pode persistir quando a transformação é incompleta.

O Cambridge Phase Transformations Group relatou, em 2011, que o arrefecimento contínuo produz normalmente ferrite alotriomórfica mais perlite em aço hipoeutectoide. Com um arrefecimento mais rápido ou uma maior temperabilidade, a sequência pode deslocar-se para perlite mais fina, bainite, martensite e austenite retida. Esta sequência constitui um quadro interpretativo útil, mas não substitui o registo térmico efetivo nem a microscopia.

Registar com precisão os constituintes e a morfologia

Separe o nome do constituinte da sua morfologia. Registe “ferrite alotriomórfica proeutectoide”, “colónias de perlite com espaçamento interlamelar fino”, “bainite superior”, “bainite inferior”, “martensite em ripas”, “martensite em placas”, “austenite retida” ou “partículas de cementite esferoidizadas” quando a evidência sustentar essas descrições. Não reduza todas as regiões de ataque escuro a “perlite” e não classifique todas as regiões aciculares como “martensite”.

A ferrite pode ocorrer sob a forma de grãos alotriomórficos ao longo dos limites da austenite prévia ou sob a forma de placas de Widmanstätten. A cementite pode surgir como lamelas perlíticas, partículas bainíticas, partículas esferoidizadas ou carbonetos não dissolvidos. A martensite pode apresentar-se em ripas ou em placas, e o seu aspeto pode ser alterado pelo revenido. A bainite deve ser identificada pela sua disposição de ferrite e carbonetos e pelo contexto da transformação, não apenas pela forma.

Utilize métodos de microscopia adequados à questão. A microscopia ótica pode revelar a distribuição dos constituintes e a estrutura das colónias de perlite; a microscopia eletrónica de varrimento pode resolver disposições mais finas dos carbonetos; os ensaios de dureza e a difração podem apoiar, mas não substituir, a identificação metalográfica. Se houver suspeita de austenite retida, indique como foi avaliada. Evite afirmar a presença de uma única fase quando a imagem mostra uma mistura de transformação.

Um procedimento repetível segue estas etapas: estabelecer a composição e determinar, quando relevante, se o aço é hipoeutectoide; documentar o estado inicial; reconstruir o aquecimento, a austenitização, o arrefecimento, a têmpera e o revenido; considerar a difusão, os efeitos dos elementos de liga, o tamanho da secção e a velocidade de arrefecimento; identificar os constituintes resultantes; e, em seguida, registar a morfologia separadamente dos nomes nominais das fases. A descrição de 2024 da ASM International apresenta a correção adequada ao pensamento centrado na dureza: as microestruturas dos aços tratados termicamente são associações de ferro, carbono e elementos de liga que formam ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. O aço após o tratamento é normalmente um historial de transformação registado numa microestrutura mista, e não uma única categoria de dureza.

Referências

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment