Temperaturas e fases de transformação do aço

O que significam realmente as temperaturas de transformação

Uma temperatura de transformação do aço não é um valor universal indicado junto de uma designação. É um limite ou um evento observado que depende da composição, da história térmica, do tamanho do provete, da velocidade de aquecimento ou arrefecimento e do mecanismo através do qual uma estrutura se transforma noutra. A temperatura indicada pode descrever o equilíbrio, o início de uma reação durante o aquecimento, o início de uma reação durante o arrefecimento ou o momento em que uma determinada medição deteta uma alteração. Estes valores estão relacionados, mas não são intercambiáveis.

Uma fase é uma estrutura fisicamente distinta, com uma disposição cristalina definida e um intervalo de composição próprio. No aço, a austenite (γ) é cúbica de faces centradas, a ferrite (α) é cúbica de corpo centrado e a cementite é Fe₃C ortorrômbica, conforme descrito pela University of Cambridge em Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Um constituinte é um agrupamento microestrutural que pode conter mais do que uma fase. A perlite, por exemplo, é um constituinte formado por ferrite e cementite. Um produto de transformação é a estrutura formada a partir da fase-mãe: a perlite, a bainite, a martensite, a ferrite proeutectoide e a cementite proeutectoide são os principais produtos identificados na abordagem da ASM às transformações da austenite.

Temperatura (°C)

Esta distinção é importante porque uma temperatura pode assinalar o desaparecimento de uma fase sem identificar o constituinte final. A aproximadamente 0,8 % em massa de carbono e 723 °C, a austenite sofre a reação eutectoide γ → α + Fe₃C, de acordo com o material Fe–C da University of Cambridge de 2002. Essa equação indica os produtos de equilíbrio, ferrite e cementite. Não significa que todos os aços que contenham aproximadamente 0,8 % em massa de carbono formem 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 eutectoide de equilíbrio: o limite no qual a austenite e a mistura de ferrite e cementite podem coexistir para a composição e a pressão especificadas. Ae3 é o limite superior de equilíbrio da austenite num aço hipoeutectoide, separando a austenite do campo de austenite mais ferrite. Aecm é o limite superior correspondente para um aço hipereutectoide, separando a austenite do campo de austenite mais cementite. O índice “e” indica equilíbrio.

No arrefecimento lento, as temperaturas críticas durante o aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores durante o arrefecimento. Strong evidence

As temperaturas operacionais são normalmente 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 arrefecimento. As letras “c” e “r” indicam condições de aquecimento e arrefecimento, não novas fases de equilíbrio. Durante o aquecimento, a austenite pode não começar a formar-se antes de o material ultrapassar Ae1, porque a nucleação e a difusão requerem tempo. Durante o arrefecimento, a ferrite, a perlite ou a cementite podem não surgir antes de o aço se encontrar abaixo do limite de equilíbrio, porque a reação requer subarrefecimento. A ASM International indica que, para um arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de arrefecimento (2024). Essa diferença é histerese, não um erro no diagrama de fases.

A composição também desloca estes limites. O carbono altera a estabilidade da austenite e as temperaturas às quais se podem formar ferrite, perlite, cementite e martensite. Os elementos de liga deslocam os limites e alteram as velocidades de reação; o silício, por exemplo, aumenta o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. A referência do ferro puro já depende da temperatura: a University of Cambridge situa a austenite cúbica de faces centradas aproximadamente entre 910 e 1400 °C e a temperatura de fusão em aproximadamente 1539 °C (2005). Por conseguinte, uma qualidade de aço não pode herdar do ferro puro uma única “temperatura de austenitização” fixa.

Aquecimento, arrefecimento, manutenção isotérmica e arrefecimento contínuo

O aquecimento, o arrefecimento e a manutenção colocam questões diferentes. Durante o aquecimento, a questão é saber quando a ferrite e a cementite se dissolvem suficientemente para se formar a austenite. 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 pirómetro pode ultrapassar Ac1 enquanto o centro ainda não o fez. Assim, a dimensão da secção altera o percurso térmico efetivo, mesmo quando o programa nominal do forno é idêntico.

Durante o arrefecimento, o percurso da reação determina o produto de transformação. Um arrefecimento lento produz produtos reconstrutivos controlados por difusão, como a ferrite proeutectoide e a perlite, permitindo a redistribuição dos átomos de carbono e de ferro. Um arrefecimento mais rápido suprime essas reações e pode produzir bainite ou martensite. A University of Cambridge descreve o crescimento da bainite como sendo sem difusão relativamente à rede de ferro e termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainite apresenta uma energia livre inferior à da austenite com composição idêntica. A martensite resulta de uma transformação deslocativa, essencialmente sem difusão: a sua formação não requer que o carbono percorra grandes distâncias, embora o teor de carbono influencie fortemente a sua temperatura de início.

Uma transformação isotérmica mantém a austenite a uma temperatura escolhida depois de um arrefecimento rápido até essa temperatura. Um diagrama TTT — diagrama tempo-temperatura-transformação — mostra quando os produtos começam e terminam de se formar nestas condições de manutenção. As suas curvas em C representam reações dependentes do tempo, como as da perlite e da bainite, enquanto a temperatura de início da martensite, Ms, assinala uma transformação atérmica governada principalmente pela temperatura atingida e não por um tempo de incubação. Mf é a temperatura de fim da martensite, embora o arrefecimento possa terminar acima de Mf e deixar austenite retida. A University of Cambridge indica que o carbono influencia Ms, Mf e a fração de austenite retida (2012).

Um diagrama CCT regista, pelo contrário, a transformação durante um arrefecimento contínuo. A velocidade de arrefecimento determina quais as curvas de início que são atravessadas e durante quanto tempo o aço permanece em cada intervalo 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 maquinabilidade e as propriedades de fadiga. É por isso que 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 surgem produtos de transformação reais ao longo de determinados percursos térmicos.

O quadro ferro–carbono: fases, estruturas cristalinas e campos

O diagrama ferro–carbono é um mapa de equilíbrio, não uma tabela de consulta de temperaturas. Os seus campos identificam quais as fases termodinamicamente estáveis para uma determinada composição e temperatura, pressupondo tempo suficiente para a difusão. Na prática, o aço segue frequentemente uma trajetória diferente: as velocidades de aquecimento e arrefecimento deslocam as temperaturas de transformação, os elementos de liga alteram a estabilidade das fases e o arrefecimento rápido pode suprimir os produtos controlados por difusão. Assim, o mesmo grau nominal pode conter ferrite, perlite, bainite, martensite, austenite retida ou misturas destas, consoante a sua história térmica.

O diagrama também distingue uma fase de um constituinte microestrutural e de um produto de transformação. A ferrite, a austenite e a cementite são fases. A perlite é um constituinte bifásico. A bainite e a martensite são produtos de transformação cuja estrutura e composição dependem da forma como a austenite se decompõe.

Ferrite, austenite e cementite

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

A austenite, representada por γ, tem uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas (FCC). A rede FCC proporciona sítios intersticiais maiores e mais favoráveis, pelo que dissolve substancialmente mais carbono do que a ferrite. Esta capacidade de retenção de carbono é fundamental para o tratamento térmico dos aços: a austenitização procura introduzir o carbono em γ antes de o arrefecimento determinar se esta formará perlite, bainite, martensite ou outra mistura.

No ferro puro, o material Stainless Steels: Phase Equilibria da University of Cambridge, de 2005, situa a austenite FCC aproximadamente entre 910 e 1400 °C. Esse intervalo é específico do ferro puro, não sendo um intervalo 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 cementite, Fe₃C, é um carboneto de ferro com uma estrutura cristalina ortorrômbica. É uma fase composta que contém aproximadamente 6,67 % em massa de carbono, muito mais do que o teor global dos aços estruturais correntes. A cementite é dura e frágil, e a sua quantidade, forma, espaçamento e continuidade influenciam fortemente o comportamento mecânico. A fonte Interpretation of the Microstructure of Steels da Cambridge, de 2008, identifica diretamente as três estruturas: a austenite é FCC, a ferrite é BCC e a cementite é Fe₃C ortorrômbica.

Estas designações descrevem estruturas cristalinas, não simplesmente o aspeto observado ao microscópio. Um grão de ferrite é uma fase, mesmo que contenha defeitos ou pequenas concentrações de solutos. As partículas de cementite no interior da ferrite continuam a ser uma fase separada, porque a sua composição e estrutura cristalina são diferentes.

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

Um exemplo útil para organizar estes conceitos é o ponto eutectoide. O material Materials Science & Metallurgy da University of Cambridge, de 2002, indica 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 valores ligeiramente diferentes devido aos estados de referência, aos dados experimentais, às hipóteses relativas à liga ou à convenção utilizada para definir uma temperatura crítica. A própria notação é mais importante do que considerar 0,8 % em massa e 723 °C como constantes exatas.

Na composição eutectoide, a austenite transforma-se em ferrite e cementite à medida que a temperatura atravessa, no sentido descendente, a temperatura eutectoide de equilíbrio. Em condições de arrefecimento adequadas, estas fases organizam-se em placas ou lamelas alternadas denominadas perlite. A perlite não é uma terceira estrutura cristalina nem uma fase única. Cada lamela de ferrite é BCC; cada lamela de cementite é Fe₃C ortorrômbica. O padrão ao nível da colónia é um produto de transformação ou constituinte microestrutural produzido pelo crescimento cooperativo de duas fases.

A velocidade de arrefecimento altera o espaçamento e, por vezes, o próprio produto. Um arrefecimento lento permite que o carbono se difunda ao longo de distâncias maiores e tende a produzir perlite relativamente grosseira. Um arrefecimento mais rápido pode produzir perlite mais fina, bainite ou, se a difusão for em grande medida impedida, martensite. A ASM International inclui a perlite, a bainite, a martensite, a ferrite proeutectoide e a cementite proeutectoide entre os principais produtos formados a partir da austenite.[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 eutectoide de equilíbrio, enquanto o aquecimento e o arrefecimento produzem temperaturas Ac e Ar que podem ser diferentes. O documento Critical Temperature Ranges da ASM, de 2024, observa que, sob arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores às temperaturas de arrefecimento. Os diagramas de transformação isotérmica descrevem uma manutenção a uma temperatura selecionada; os diagramas de transformação em arrefecimento contínuo (CCT) descrevem um arrefecimento ininterrupto. O estudo do NIST de 1990, Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, mostra como um diagrama CCT pode estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a maquinabilidade e as propriedades de fadiga.

O silício constitui um aviso adicional contra valores fixos. A ASM indica que o silício aumenta o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. A composição altera os campos antes mesmo de se iniciar o ciclo no forno.

Ferrite proeutectoide e cementite proeutectoide

Os aços com menos carbono do que a composição eutectoide são aços hipoeutectoides. Durante o arrefecimento a partir da austenite, a ferrite forma-se primeiro, antes de a austenite remanescente atingir a composição eutectoide. Esta ferrite formada inicialmente denomina-se ferrite proeutectoide. À temperatura eutectoide, a austenite residual transforma-se então em perlite. Assim, uma estrutura hipoeutectoide final contém geralmente ferrite proeutectoide e perlite, embora a velocidade de arrefecimento e os elementos de liga possam introduzir bainite ou martensite.

Os aços com mais carbono do que a composição eutectoide são aços hipereutectoides. A cementite forma-se primeiro a partir da austenite, normalmente ao longo dos limites de grão da austenite pré-existente ou noutros locais favoráveis. Trata-se de cementite proeutectoide. A austenite remanescente adquire uma composição eutectoide e transforma-se em perlite durante o arrefecimento subsequente. A estrutura resultante contém geralmente cementite proeutectoide e perlite.

A palavra “proeutectoide” significa “formado antes da reação eutectoide”, e não “formado antes de existir a austenite”. Ambos os produtos se formam a partir da austenite durante o arrefecimento. As suas quantidades dependem da composição e do percurso através dos campos de fase, enquanto a sua morfologia depende da nucleação, da difusão, do tamanho de grão e da velocidade de arrefecimento. Se o arrefecimento for suficientemente rápido, a decomposição eutectoide pode ser evitada. O material da Cambridge de 2008 sobre a microestrutura dos aços distingue estas reações reconstrutivas, controladas por difusão, das transformações displacivas; a martensite pode formar-se sem a difusão química de longo alcance necessária para formar perlite. O carbono também afeta as temperaturas de início e de fim da formação de martensite e a fração de austenite retida, conforme registado no documento Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel da Cambridge, de 2012.

Formação de austenite durante o aquecimento

A austenite não surge a uma única temperatura universal. A sua formação depende do teor de carbono, das adições de elementos de liga, da velocidade de aquecimento, do tempo de permanência e da estrutura de ferrite–perlita ou da estrutura revenida existente antes do aquecimento. A própria fase é constituída por ferro γ cúbico de faces centradas; a ferrite é constituída por ferro α cúbico de corpo centrado, enquanto a cementite é Fe₃C ortorrômbica, conforme descrito na obra Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), da University of Cambridge. O aquecimento altera tanto a estrutura cristalina como a distribuição do carbono entre estas fases.

Os símbolos Ac1, Ac3 e Accm descrevem temperaturas críticas práticas, medidas ou observadas durante o aquecimento. O “c” indica aquecimento, enquanto o “1” assinala o início da formação de austenite. Assim, Ac1 é a temperatura à qual a austenite se forma pela primeira vez a partir de ferrite e perlita, ou de perlita e cementite num aço hipereutectoide. Ac3 é a temperatura à qual desaparece a última ferrite proeutectoide num aço hipoeutectoide. Accm é o limite superior correspondente para um aço hipereutectoide: acima dessa temperatura, a cementite entrou em solução e a estrutura é totalmente austenítica, com exceção dos carbonetos de liga não dissolvidos.

Estas 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 ajustar-se por difusão para uma composição e temperatura definidas. Os valores de Ac descrevem um percurso real de aquecimento, pelo que variam com a velocidade de aquecimento, o tamanho do provete, o estado inicial e o método de medição. A ASM International afirma que, durante um arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores determinados durante o arrefecimento (Critical Temperature Ranges, 2024). Por conseguinte, um valor publicado de Ac1 ou Ac3 deve estar associado à composição de um aço e a uma condição de ensaio.

Atravessar Ac1, Ac3 e Accm

Num aço hipoeutectoide, como um grau estrutural típico de baixo teor de carbono, a estrutura inicial contém geralmente ferrite e perlita. Próximo da composição eutectoide, as colónias de perlita começam a transformar-se em Ac1. A aproximadamente 0,8 % em massa de carbono e 723 °C, a reacção eutectoide de equilíbrio é γ → α + Fe₃C, de acordo com o material Materials Science & Metallurgy (2002), da University of Cambridge. O aquecimento inverte essa reacção: a ferrite e a cementite presentes na perlita são consumidas para formar austenite.

A transformação não ocorre como uma frente perfeitamente nítida. A austenite nucleia nas interfaces ferrite–cementite, nos limites das colónias de perlita e noutros locais de elevada energia. Em seguida, cresce para o interior da ferrite envolvente. Como o carbono se difunde muito mais rapidamente através da austenite do que os elementos de liga substitucionais, a concentração de carbono torna-se desigual durante a fase inicial. A ferrite remanescente só se dissolve à medida que a temperatura sobe em direcção a Ac3. Abaixo de Ac3, a mistura é constituída por austenite e ferrite proeutectoide; acima de Ac3, a matriz é austenite.

Um aço hipereutectoide segue um percurso diferente. A perlita transforma-se depois de Ac1, mas a cementite proeutectoide permanece em torno dos limites dos anteriores grãos de austenite ou no interior da estrutura. A austenite só fica completamente estabelecida quando a temperatura ultrapassa Accm e a cementite se dissolveu suficientemente. Assim, o aquecimento ligeiramente acima de Ac1 pode deixar austenite com uma fracção substancial de cementite. É incorrecto designar essa condição como “completamente austenitizada”.

Para o ferro puro, os dados de equilíbrio de fases da Cambridge situam a austenite cúbica de faces centradas 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 as fronteiras, e o aquecimento industrial ocorre frequentemente muito longe do equilíbrio. A questão prática não é simplesmente saber se um forno atingiu uma temperatura indicada numa tabela. É saber se as fases necessárias tiveram tempo para se transformar em toda a secção.

Dissolução do carbono e redistribuição dos carbonetos

O carbono tem de sair da cementite e difundir-se através da austenite em crescimento. Uma estrutura perlítica fina transforma-se geralmente mais depressa do que uma perlita grosseira, porque proporciona uma maior área de interfaces ferrite–cementite e menores distâncias de difusão. A deformação plástica a frio anterior, o tamanho de grão, a segregação e um tratamento de revenido prévio também alteram os locais de nucleação e as velocidades de dissolução.

Depois de Ac1, a austenite recém-formada pode conter menos carbono do que o valor de equilíbrio a essa temperatura, enquanto as regiões próximas da cementite em dissolução contêm mais. A manutenção à temperatura permite a redistribuição do carbono. Um tempo insuficiente pode deixar cementite não dissolvida, austenite pobre em carbono ou gradientes locais de composição. Uma temperatura ou um tempo de permanência excessivos podem aumentar o tamanho dos anteriores grãos de austenite, mesmo quando a dissolução já está completa.

Os carbonetos de liga tornam o processo mais lento. Os carbonetos que contêm crómio, molibdénio, vanádio, nióbio e titânio podem permanecer estáveis muito acima da temperatura necessária para dissolver a Fe₃C comum. A sua persistência pode ser intencional, mas 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 segregam durante a fundição e o processamento anterior, pelo que as temperaturas de transformação locais 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 razão a composição deve acompanhar qualquer temperatura de transformação. A ASM International refere que o silício eleva o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. Nos aços ligados com silício, a estabilidade da cementite e a partição do carbono diferem, portanto, das observadas num aço ao carbono simples. O resultado pode ser um limite prático de aquecimento mais elevado, uma dissolução alterada dos carbonetos e uma maior tendência para o carbono permanecer distribuído entre a austenite e outros constituintes durante o ciclo térmico.

O manganês reduz geralmente as temperaturas críticas de transformação e aumenta a temperabilidade, enquanto o níquel estabiliza a austenite e o crómio, o molibdénio, 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 considerado isoladamente. A velocidade de aquecimento também é importante: um aquecimento rápido pode produzir valores de Ac observados mais elevados, porque a difusão e a nucleação ficam atrasadas relativamente à temperatura do forno.

A austenite resultante controla a transformação posterior. Durante o arrefecimento, pode formar perlita, bainite, ferrite proeutectoide, cementite proeutectoide ou martensite, dependendo da composição e do percurso de arrefecimento. O relatório Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), do NIST, demonstra por que razão se utiliza um diagrama CCT para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a maquinabilidade e as propriedades de fadiga. A formação de austenite é a condição inicial, não uma garantia de qualquer estrutura final específica.

Produtos de arrefecimento: perlita, bainite, martensite e fases proeutectoides

A austenite não tem um único produto inevitável de arrefecimento. O resultado depende do teor de carbono e de elementos de liga, do tamanho de grão da austenite prévia, das condições de aquecimento, da velocidade de arrefecimento e do tempo de permanência a cada temperatura. A ASM International identifica a perlita, a bainite, a martensite, a ferrite proeutectoide e a cementite proeutectoide como os principais produtos da transformação da austenite. Estes nomes não descrevem todos o mesmo tipo de entidade: a ferrite e a cementite são fases, a perlita e a bainite são produtos de transformação que contêm mais do que uma fase, e a martensite é uma fase sobressaturada formada por um mecanismo diferente.

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

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

Aqui, γ é a austenite cúbica de faces centradas, α é a ferrite cúbica de corpo centrado e Fe₃C é a cementite ortorrômbica, conforme descrito em Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), da Universidade de Cambridge. A temperatura é uma referência de equilíbrio, não um ponto de mudança universal. A transformação real pode começar abaixo ou acima desse valor, dependendo do percurso térmico e da composição.

A perlita como produto reconstrutivo controlado por difusão

A perlita forma-se quando a austenite se decompõe cooperativamente em ferrite e cementite alternadas. O carbono tem de se redistribuir: a ferrite só consegue dissolver uma pequena quantidade de carbono, enquanto a cementite acomoda uma quantidade muito maior. A rede de ferro também se reconstrói, passando da disposição cúbica de faces centradas da austenite para a estrutura de ferrite cúbica de corpo centrado. Trata-se, portanto, de uma transformação reconstrutiva, controlada por difusão, e não de uma simples alteração da forma da rede existente.

O carácter cooperativo é importante. A formação de ferrite rejeita carbono para a austenite próxima, aumentando a concentração local de carbono e favorecendo a formação de cementite junto dela. Por sua vez, a formação de cementite cria condições que permitem o crescimento da ferrite adjacente. As colónias resultantes contêm lamelas cujo espaçamento depende fortemente da temperatura de transformação. Temperaturas de transformação mais elevadas produzem, em geral, perlita mais grosseira; temperaturas mais baixas produzem perlita mais fina, porque a distância disponível para a difusão é menor. A velocidade de arrefecimento altera não só a temperatura de início, mas também o espaçamento, a fracção e a morfologia do produto.

Nos aços hipoeutectoides, a ferrite proeutectoide forma-se antes de a austenite restante atingir a composição eutectoide. Cresce preferencialmente ao longo dos limites dos grãos de austenite prévia e remove carbono da austenite não transformada, fazendo com que esta fique progressivamente mais rica em carbono. Nos aços hipereutectoides, forma-se, em vez disso, cementite proeutectoide, normalmente ao longo dos limites dos grãos de austenite, enquanto a austenite restante se torna relativamente menos rica em carbono do que a liga original antes de se transformar em perlita. A estrutura final pode, portanto, conter ferrite mais perlita, ou cementite mais perlita, em vez de perlita בלבד.

Os termos Ae1, Ae3 e Aecm descrevem limites de equilíbrio: Ae1 é o limite eutectoide, Ae3 separa a austenite da austenite mais ferrite proeutectoide em composições adequadas, e Aecm assinala o limite correspondente da cementite. As temperaturas críticas de aquecimento e de arrefecimento não têm necessariamente de coincidir. A publicação Critical Temperature Ranges (2024), da ASM International, afirma que, para um arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de arrefecimento. A cinética e a histerese térmica não são erros no diagrama de fases; fazem parte da transformação.

A bainite e a condição T₀

A bainite ocupa a zona intermédia frequentemente ocultada por diagramas simplificados. O seu crescimento é sem difusão no que respeita à rede de ferro: os átomos de ferro movem-se de forma coordenada e deslocativa, em vez de difundirem individualmente ao longo de grandes distâncias. O carbono, contudo, não se torna irrelevante. A ferrite sobressaturada formada durante a alteração inicial da rede tem de redistribuir o carbono, normalmente para a austenite ou para um carboneto, dependendo da composição do aço e das condições de transformação. Consequentemente, a bainite não é nem perlita com um espaçamento mais fino, nem martensite formada a uma temperatura mais elevada.

Temperatura T₀Temperatura T₀ Temperatura à qual a austenite e a ferrite bainítica de composição idêntica têm 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 bainite como sem difusão no que respeita à rede de ferro e termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀. T₀ é a temperatura à qual a austenite e a ferrite bainítica com composição química idêntica têm a mesma energia livre. Abaixo de T₀, a ferrite bainítica com essa composição inalterada tem uma energia livre inferior à da austenite, pelo que a etapa deslocativa é termodinamicamente permitida. Acima de T₀, a transformação com a mesma composição não dispõe dessa força motriz.

Esta condição não significa que todas as ligas se transformem em bainite assim que ultrapassam T₀. As barreiras à nucleação, a partição do carbono, a precipitação de carbonetos, os elementos de liga, os defeitos e o tempo disponível influenciam a reacção. A estrutura bainítica final pode incluir ferrite e carbonetos, e o seu aspecto depende de a formação de carbonetos ocorrer entre as placas de ferrite ou ser suprimida pela composição e pelo processamento. O silício, por exemplo, aumenta o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro; estes efeitos alteram o percurso e o produto, em vez de simplesmente deslocarem uma única temperatura fixa.

Um diagrama de transformação tempo-temperatura apresenta estes limites cinéticos através de curvas em C. Um diagrama de transformação em arrefecimento contínuo fornece uma resposta diferente, porque o provete atravessa diferentes temperaturas enquanto a transformação decorre. A publicação 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 maquinabilidade e as propriedades de fadiga. É essa utilização preditiva que explica por que razão uma velocidade de arrefecimento não pode ser substituída por uma única “temperatura da bainite”.

A martensite como transformação deslocativa atérmica

A martensite forma-se por corte e deslocamento coordenados da rede da austenite. É deslocativa: os átomos de ferro movem-se ao longo de pequenas distâncias, sem a difusão química de longo alcance necessária para a formação de perlita. O carbono fica retido na rede transformada, produzindo sobressaturação e distorção. No aço-carbono, a martensite resultante é normalmente descrita como tendo uma estrutura tetragonal de corpo centrado, embora a sua tetragonalidade varie com o teor de carbono e o revenido.

A martensite começa a formar-se à temperatura de início da martensite, Ms, quando o percurso de arrefecimento fornece uma força motriz suficiente para a nucleação. A transformação é designada atérmica porque a quantidade formada depende principalmente da temperatura atingida, e não do tempo de manutenção a uma temperatura fixa. Ms é, portanto, uma temperatura de transformação, não uma garantia de que toda a austenite se tenha transformado. Um arrefecimento adicional geralmente produz mais martensite, mas pode permanecer alguma austenite à temperatura ambiente.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, a temperatura de fim da martensite, está sujeita à mesma limitação. Assinala um intervalo de conclusão extrapolado ou medido para a reacção martensítica em condições especificadas, e não uma garantia absoluta de ausência de austenite retida. O Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012), da Universidade de Cambridge, mostra especificamente que o carbono afecta Ms, Mf e as fracções de austenite retida. Os elementos de liga e as transformações anteriores também alteram o resultado.

Um arrefecimento rápido pode suprimir produtos reconstrutivos e permitir a formação de martensite, mas o significado de “rápido” depende do tipo de aço. O diagrama CCT de um aço pode mostrar perlita ou bainite antes de Ms a uma determinada velocidade de arrefecimento e martensite a outra velocidade. Assim, a selecção de fases resulta de todo o historial térmico: as temperaturas de equilíbrio identificam estados possíveis, os diagramas TTT descrevem a cinética isotérmica e os diagramas CCT descrevem o arrefecimento 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) regista o que acontece quando a austenite é levada até uma temperatura selecionada e mantida nessa temperatura. Não é uma tabela universal de temperaturas de transformação fixas. As curvas aplicam-se a uma composição de aço especificada, a um tratamento de austenitização, a um tamanho de grão inicial e a uma definição experimental do início e do fim da transformação.

Para construir o diagrama, aquece-se primeiro uma amostra suficientemente para dentro do campo da austenite, de modo a produzir a estrutura γ necessária. Em seguida, a amostra é temperada rapidamente até uma temperatura de manutenção escolhida. A têmpera deve evitar a transformação durante a descida de temperatura. À temperatura de manutenção, a amostra é mantida isotermicamente enquanto a sua estrutura em mudança é detetada por dilatometria, metalografia, resposta magnética ou outro método de medição. O instante em que a transformação se torna detetável é representado como um ponto de início; o instante em que a fração selecionada é considerada completa é representado como um ponto de fim. A repetição do procedimento a muitas temperaturas produz as curvas familiares.

O resultado distingue produtos de transformação, fases e temperaturas. A austenite é uma fase: ferro γ de estrutura cúbica de faces centradas, contendo carbono e elementos de liga. A perlite e a bainite são produtos de transformação, normalmente constituídos por ferrite e carboneto em diferentes arranjos. A martensite é também um produto de transformação, formado a partir da austenite por uma alteração deslocativa da rede cristalina. Na reação eutectoide, próxima de 0,8 % em massa de carbono e de 723 °C, a austenite transforma-se de acordo com γ → α + Fe₃C, conforme descrito pela Universidade de Cambridge (2002). Cambridge identifica a ferrite como cúbica de corpo centrado e a cementite como Fe₃C ortorrômbico.

Leitura das curvas C

A temperatura encontra-se no eixo vertical e o tempo, geralmente numa escala logarítmica, no eixo horizontal. O aço é austenitizado, arrefecido rapidamente até um ponto do diagrama e depois 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 detetável. A manutenção continuada conduz a estrutura em direção à curva de fim correspondente. A região entre as duas curvas representa uma mistura de austenite não transformada e produto de transformação, não uma única fase com uma temperatura precisamente definida.

As curvas curvam-se habitualmente em direção a tempos curtos a uma temperatura intermédia, formando um “nariz”. A transformação é mais rápida próximo desse nariz porque a força motriz é substancial, enquanto o movimento atómico permanece suficientemente rápido. A temperaturas mais elevadas, a força motriz reduzida abranda a nucleação; a temperaturas mais baixas, a difusão reduzida abranda o processo de crescimento. O nariz indica, portanto, uma condição tempo-temperatura, não uma única temperatura crítica.

Uma manutenção horizontal acima do intervalo relevante pode produzir perlite grosseira; uma manutenção a temperatura mais baixa pode produzir perlite mais fina ou bainite, dependendo da composição e do diagrama. Os limites exatos variam com o carbono, o manganês, o crómio, o molibdénio, o silício, o tamanho de grão da austenite anterior e a prática de austenitização. O silício, por exemplo, eleva o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. Além disso, as temperaturas críticas de aquecimento e arrefecimento não têm necessariamente de coincidir: a ASM International (2024) indica que, em condições de arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de arrefecimento.

Uma curva TTT não pode ser transferida diretamente para um componente que arrefece continuamente. Um forno, um banho de óleo, uma soldadura ou uma secção espessa seguem uma trajetória inclinada de temperatura-tempo, e não uma manutenção horizontal. Durante essa trajetória, o material pode atravessar temperaturas nas quais a transformação se inicia, mas o tempo disponível muda continuamente. Um diagrama de transformação em arrefecimento contínuo (CCT) é a ferramenta adequada para esse problema. O estudo do 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 maquinabilidade e as propriedades de fadiga. Um diagrama TTT pode ainda fornecer orientação, mas a sua aplicação ao arrefecimento contínuo exige validação, frequentemente através de curvas de arrefecimento calculadas ou de dados CCT determinados experimentalmente.

Regiões de transformação reconstrutiva e deslocativa

As curvas C distintas presentes em muitos diagramas de aços refletem mecanismos diferentes, e não apenas nomes diferentes para o mesmo fenómeno. As transformações reconstrutivas exigem que os átomos atravessem interfaces e se reorganizem através de processos que envolvem difusão. A perlite é o exemplo padrão: a ferrite e a cementite formam-se enquanto o carbono se distribui entre as fases e a rede de ferro muda de regiões austeníticas para regiões ferríticas. A ferrite proeutectoide ou a cementite proeutectoide pertencem igualmente a esta família controlada por difusão quando se formam antes da reação eutectoide.

A bainite ocupa uma região diferente. The Bainite Reaction (2024), da Universidade de Cambridge, afirma que o crescimento da bainite é sem difusão no que respeita à rede de ferro e é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainite com a mesma composição possui uma energia livre inferior à da austenite. A transformação combina, portanto, uma alteração deslocativa da rede de ferro com processos de redistribuição ou precipitação do carbono que determinam a estrutura bainítica final. Não deve ser tratada simplesmente como “perlita fina”.

A martensite forma-se quando a austenite é arrefecida suficientemente depressa para suprimir as transformações reconstrutivas. A sua rede muda por deslocamento coordenado, praticamente sem difusão a longa distância durante a formação. A região da martensite é, consequentemente, representada por temperaturas, e não por curvas C comuns dependentes do tempo.

Ms, Mf e austenite retida

Ms, a temperatura de início da martensite, é atingida quando o arrefecimento da austenite permite que a martensite comece a formar-se. A transformação é atérmica no intervalo relevante: a quantidade formada depende principalmente da temperatura atingida, e não do tempo de manutenção a uma temperatura fixa. Mf, a temperatura de fim da martensite, é a temperatura nominal à qual a transformação martensítica definida está completa.

Mf pode situar-se abaixo da temperatura ambiente. Nesse caso, o arrefecimento até à temperatura ambiente deixa alguma austenite por transformar. Trata-se de austenite retida, não de uma fase de equilíbrio separada selecionada por uma simples consulta de temperatura. É uma consequência da composição e da trajetória de arrefecimento, e a sua quantidade pode alterar-se durante o revenido subsequente, em serviço ou por deformação.

O carbono exerce um forte efeito sobre as três grandezas. O material TTT da Universidade de Cambridge (2012) mostra que o carbono afeta Ms, Mf e a fração de austenite retida: o aumento do teor de carbono, em geral, reduz Ms e Mf e aumenta a fração de austenite que permanece após um determinado tratamento de arrefecimento. Os elementos de liga e o processamento anterior também alteram o resultado. Assim, uma linha marcada como Ms num diagrama pertence àquele aço e às suas condições de ensaio; não pode ser copiada sem uma avaliação crítica para outro tipo de aço ou componente.

Diagramas CCT e a realidade dos percursos de arrefecimento industrial

Arrefecimento contínuo através dos intervalos de transformação

Um diagrama de transformação-tempo-temperatura (TTT) descreve o que acontece quando a austenite é mantida a uma temperatura selecionada. Essa condição é útil para estudar reações isotérmicas, mas não corresponde ao historial térmico habitual de um componente de aço. As peças forjadas saem da matriz e perdem calor continuamente. Os produtos laminados arrefecem através de um campo de temperaturas variável. Os aços normalizados e recozidos atravessam intervalos de transformação durante o arrefecimento no forno ou ao ar, enquanto as peças temperadas atravessam frequentemente esses intervalos rapidamente antes de atingirem a temperatura de início da martensite, Ms.

Um diagrama de transformação em arrefecimento contínuo (CCT) constitui, por isso, muitas vezes, um mapa mais prático. Os limites de início e de fim da transformação são representados graficamente em função de uma temperatura continuamente decrescente. Uma curva de arrefecimento traçada sobre o diagrama mostra quando, e durante quanto tempo, a austenite ocupa o intervalo de temperaturas em que se pode formar um determinado produto. A curva pode entrar numa região de início da formação de ferrite, continuar para a formação de perlite, atravessar uma região de bainite e, por fim, cruzar Ms, fazendo com que a austenite remanescente se transforme em martensite. A estrutura final pode, consequentemente, ser uma mistura, e não uma única fase ou um único produto de transformação.

Esta distinção é importante porque a ferrite, a perlite, a bainite e a martensite não se formam através do mesmo mecanismo. A ferrite ou a cementite pró-eutectoide podem formar-se antes da reação eutectoide em aços hipoeutectoides ou hipereutectoides. Próximo da composição eutectoide, aproximadamente 0,8 % em massa de carbono e 723 °C, a austenite sofre a transformação γ → α + Fe₃C, de acordo com o material Materials Science & Metallurgy da Universidade de Cambridge (2002). Aqui, α é ferrite e Fe₃C é cementite. O documento Interpretation of the Microstructure of Steels de Cambridge (2008) identifica a austenite como cúbica de faces centradas, a ferrite como cúbica de corpo centrado e a cementite como Fe₃C ortorrômbica.

A temperaturas mais baixas, pode formar-se bainite através de uma transformação que é sem difusão relativamente à rede de ferro, embora a redistribuição do carbono continue a ser importante para a reação e para os seus produtos. O documento The Bainite Reaction de Cambridge (2024) afirma que o crescimento da bainite é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainite tem uma energia livre inferior à da austenite de composição idêntica. Se o arrefecimento for suficientemente rápido, os produtos controlados por difusão podem ser evitados. A rede de austenite transforma-se então de forma deslocativa em martensite, começando em Ms; a formação de martensite é atérmica, pelo que a quantidade formada depende principalmente de quanto a temperatura desce abaixo de Ms, e não do tempo de manutenção a uma determinada temperatura.

Uma curva CCT também não é uma propriedade universal do “aço”. A temperatura de austenitização, o tempo de manutenção, a estrutura ferrite-perlite ou bainítica prévia, o tamanho de grão, o teor de elementos de liga e o meio de arrefecimento afetam todos o resultado. O silício, por exemplo, eleva o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. Além disso, mesmo as temperaturas críticas medidas durante o aquecimento e o arrefecimento podem não coincidir: o documento Critical Temperature Ranges da ASM International (2024) indica que, em arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de arrefecimento.

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 teor de carbono, ressulfurado, normalmente designado pela classificação SAE/AISI 1141. A adição de enxofre melhora a sua maquinabilidade, mas esta classificação continua a responder à interação entre o teor de carbono, o estado da austenite, a velocidade de arrefecimento e a geometria da secção.

No trabalho do NIST, os dados CCT são utilizados para relacionar os percursos de arrefecimento da austenite com a estrutura à temperatura ambiente, em vez de atribuir uma única temperatura de transformação à classificação. Um percurso relativamente lento pode intersetar as regiões de ferrite e perlite antes de atingir temperaturas mais baixas. Um percurso mais rápido pode suprimir algumas ou todas essas reações, entrar numa região de bainite ou evitar a transformação por difusão até cruzar Ms e formar martensite. Se a curva de arrefecimento intersetar mais do que uma região de início, o aço resultante pode conter ferrite pró-eutectoide mais perlite, perlite mais bainite, bainite mais martensite ou vários produtos em simultâneo. A austenite que permanece não transformada quando o arrefecimento termina pode persistir como austenite retida.

Esta última fração não é um pormenor menor. O documento Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel de Cambridge (2012) identifica especificamente o carbono como um elemento que afeta Ms, a temperatura de fim da transformação martensítica, Mf, e a fração de austenite retida. Se o aço for arrefecido apenas até uma temperatura superior a Mf, pode permanecer alguma austenite. Esta pode transformar-se posteriormente durante o serviço, a maquinação ou um tratamento térmico subsequente, alterando as dimensões e as tensões.

O estudo do SAE 1141 realizado pelo NIST demonstra diretamente o ponto prático: um diagrama CCT de um aço pode ser utilizado para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a maquinabilidade e as propriedades de fadiga. Essas previsões são estimativas e não substituem a verificação do ciclo térmico e da secção reais. Uma curva de arrefecimento superficial pode passar bem à esquerda dos limites de transformação, enquanto o centro arrefece mais lentamente e forma ferrite e perlite. A mesma peça pode, por isso, ter uma camada superficial martensítica dura e um núcleo misto mais macio.

Temperabilidade, dimensão da secção 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 numa determinada condição. A temperabilidade descreve a capacidade de um aço formar martensite e a profundidade até à qual o consegue fazer, sob um tratamento de austenitização e uma condição de arrefecimento especificados. A um aço com elevada temperabilidade não corresponde um único valor universal de dureza. A sua dureza continua a depender do teor de carbono, da fração de martensite, do revenido e da velocidade de arrefecimento local.

A dimensão da secção altera essa velocidade de arrefecimento. Uma barra fina pode arrefecer suficientemente depressa em toda a sua secção transversal para evitar a formação de ferrite e perlite. Numa peça forjada espessa, o calor armazenado no centro abranda a curva de arrefecimento, permitindo que esta entre em regiões de início da transformação que a superfície evita. O centro pode então conter bainite ou perlite, enquanto a superfície contém martensite. Este gradiente térmico também cria diferenças na variação de volume e nas tensões de transformação, que podem contribuir para a distorção, a fissuração durante a têmpera e as tensões residuais.

A interpretação de um CCT deve, por isso, começar pelo processo real: temperatura e tempo de austenitização, contacto com o forno ou com a matriz, atraso na transferência, meio de arrefecimento, agitação, orientação da peça e espessura local da secção. Os produtos previstos fornecem depois uma via para determinar as propriedades. A ferrite e a perlite grosseira reduzem geralmente a resistência e a dureza, melhorando simultaneamente a maquinabilidade em comparação com a martensite não revenida; a bainite ocupa uma posição intermédia e altamente dependente das condições; a martensite aumenta a dureza e a resistência, mas pode reduzir a tenacidade se não for revenida. As misturas e os gradientes também afetam a fadiga, porque a dureza local, as tensões residuais, as inclusões e a austenite retida alteram a iniciação e o crescimento das fissuras. Uma consulta de temperaturas não consegue captar esses efeitos. Um percurso de arrefecimento consegue.

Porque variam as temperaturas de transformação entre aços e processos

Uma temperatura de transformação não é um valor universal de consulta para o “aço”. Identifica uma condição sob a qual uma determinada mudança de fase se torna possível ou detetável para uma composição e um percurso térmico especificados. O resultado também depende de o diagrama descrever um estado de equilíbrio, uma manutenção isotérmica ou um arrefecimento contínuo. Perlita, bainite, martensite, ferrite proeutectoide e cementite proeutectoide são produtos de transformação diferentes, não designações intercambiáveis para uma única temperatura.

Teor de carbono e composição da liga

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

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

A obra Materials Science & Metallurgy (2002), da University of Cambridge, apresenta esta reação para a transformação da austenite em ferrite e cementite. A austenite tem estrutura cúbica de faces centradas, a ferrite tem estrutura cúbica de corpo centrado e a cementite é Fe₃C ortorrômbico, conforme descrito na obra Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), de Cambridge. A alteração do teor de carbono desloca a composição e a temperatura eutectoides e modifica a fase que aparece antes da reação eutectoide. Os aços hipoeutectoides podem formar ferrite proeutectoide; os aços hipereutectoides podem formar cementite proeutectoide.

O carbono também altera a temperatura a que a martensite começa a formar-se, Ms, e a temperatura a que a transformação martensítica fica substancialmente concluída, Mf. A obra Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012), de Cambridge, identifica especificamente o carbono como um fator que afeta Ms, Mf e a fração de austenite retida. O aumento do teor de carbono, em geral, reduz Ms e Mf. Se Mf descer abaixo da temperatura ambiente, parte da austenite pode permanecer não transformada. Esta austenite retida não é prova de que o aço não tenha atingido uma única “temperatura de têmpera” fixa; reflete a composição e o limite final do arrefecimento.

O mecanismo é importante. A perlita e os produtos proeutectoides requerem redistribuição do carbono e são controlados por difusão. A martensite forma-se através de uma transformação deslocativa rápida, permitindo que a rede cristalina do ferro se transforme sem a difusão de longo alcance do carbono necessária à formação de cementite. A bainite ocupa uma posição intermédia: a obra The Bainite Reaction (2024), de Cambridge, afirma que o seu crescimento é sem difusão relativamente à rede cristalina do ferro e termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀, na qual a bainite com a mesma composição tem energia livre inferior à da austenite.

Os elementos de liga podem deslocar estas relações, mas os seus efeitos não devem ser tratados como idênticos. O silício constitui um exemplo documentado. A ASM International afirma que o silício aumenta o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. Consequentemente, os aços com silício não podem ser interpretados a partir de um diagrama ferro–carbono não modificado para aços-carbono simples. Isto 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 destes fatores.

Histerese durante o aquecimento e o arrefecimento

A temperatura registada durante o aquecimento não tem necessariamente de ser igual à temperatura registada durante o arrefecimento. Durante o aquecimento, a ferrite e a cementite têm de se dissolver, e a austenite tem de nuclear e crescer; isto requer ativação térmica e tempo. Durante o arrefecimento, a austenite decompõe-se através de um processo diferente de nucleação e crescimento. Por conseguinte, a transformação apresenta histerese, mesmo quando o forno altera a temperatura lentamente.

A ASM International, na obra Critical Temperature Ranges (2024), afirma que, em condições de arrefecimento lento, as temperaturas críticas durante o aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores durante o arrefecimento. Esta é uma afirmação quantificada da fonte, não uma margem universal aplicável a todos os ciclos do forno ou a todas as ligas. Um aquecimento mais rápido pode aumentar o sobreaquecimento aparente, porque a difusão e a nucleação ficam atrasadas relativamente à temperatura medida. Uma têmpera rápida pode suprimir a perlita e a bainite durante tempo suficiente para permitir a formação de martensite, enquanto uma manutenção isotérmica pode produzir uma transformação a uma temperatura que não corresponderia ao ponto de início num diagrama de arrefecimento contínuo.

Esta distinção separa as temperaturas de equilíbrio, como Ae1, Ae3 e Aecm, das temperaturas práticas Ac e Ar medidas durante o aquecimento e o arrefecimento. Um diagrama TTT descreve a transformação durante uma manutenção isotérmica após a austenitização. Um diagrama CCT acompanha uma temperatura em mudança contínua. A obra 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 maquinabilidade e as propriedades de fadiga. Uma curva CCT é, portanto, um mapa do processo, não um substituto dos dados de equilíbrio de fases.

Tamanho do grão de austenite prévio, tempo e gradientes térmicos

O tempo de austenitização altera mais do que aquilo que a leitura do termómetro sugere. Uma manutenção suficientemente prolongada pode dissolver carbonetos, homogeneizar o carbono e permitir o crescimento dos grãos de austenite. 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 arrefecimento com tendências de transformação distintas. Um tempo excessivo produz normalmente grãos de austenite prévia mais grosseiros, reduzindo a área total dos limites de grão disponível para a nucleação e atrasando frequentemente as transformações difusionais.

O tamanho do grão de austenite prévio altera, consequentemente, a cinética, em vez de criar uma nova composição de equilíbrio. Os grãos finos disponibilizam mais locais de nucleação e podem promover uma formação mais precoce de ferrite ou perlita durante o arrefecimento. Os grãos grosseiros podem aumentar a temperabilidade ao atrasarem esses produtos nucleados nos limites de grão, permitindo que uma fração maior da austenite atinja condições bainíticas ou martensíticas. O deslocamento exato depende do carbono, da composição da liga, do estado dos limites de grão e da velocidade de arrefecimento.

Os componentes reais raramente seguem uniformemente o programa do forno. Uma secção espessa perde calor pela superfície enquanto o núcleo permanece quente, produzindo diferentes velocidades de arrefecimento ao longo da secção. A uniformidade da temperatura do forno, a disposição da carga, o contacto com os dispositivos de fixação e a oxidação superficial afetam ainda mais o historial térmico efetivo. A superfície pode atravessar uma região de perlita ou bainite enquanto o núcleo ainda se encontra acima dessa região; posteriormente, o núcleo pode transformar-se sob uma velocidade de arrefecimento inferior à da superfície. Assim, um único tratamento térmico nominal pode produzir ferrite, perlita, bainite, martensite e austenite retida em diferentes localizações. A temperatura é importante, mas o percurso seguido através das temperaturas determina o produto de transformação que aparece.

Normas de leitura, designações de grau e terminologia de transformação

SAE 1141 e os limites dos diagramas específicos de cada grau

Um diagrama de transformação é um registo relativo a uma composição e a um percurso térmico definido, não uma tabela universal de temperaturas. Um diagrama CCT identificado como SAE 1141 aplica-se à composição química, ao tratamento de austenitização, às dimensões do provete e ao método de ensaio utilizados para produzir esse diagrama. Não deve ser redesignado como “o diagrama do aço-carbono”, muito menos ser aplicado, sem as devidas qualificações, a aço de baixa liga, aço inoxidável ou aço para ferramentas.

Esta distinção é importante porque os elementos de liga alteram a estabilidade das fases, as velocidades de difusão, a formação de carbonetos e a cinética de transformação. O carbono altera o intervalo austenite–martensite e a fracção de austenite retida; o trabalho de 2012 da University of Cambridge, Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel, identifica especificamente efeitos sobre Ms, Mf e as fracções de austenite retida. De acordo com Critical Temperature Ranges, publicado pela ASM International em 2024, o silício eleva o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. O níquel, o crómio, o molibdénio e o manganês podem deslocar as curvas de transformação e retardar a formação de produtos de difusão. Um grau de aço inoxidável pode também conter campos de fases de ferrite, austenite ou fases intermetálicas ausentes num diagrama de aço-carbono simples, enquanto os aços para ferramentas podem formar carbonetos de liga que alteram tanto os produtos de transformação em equilíbrio como os produtos observados.

Mesmo a conhecida referência exclusivamente baseada no ferro é específica da composição. O trabalho de 2005 da University of Cambridge, Stainless Steels: Phase Equilibria, situa a austenite cúbica de faces centradas no ferro puro aproximadamente entre 910 e 1400 °C e indica uma temperatura de fusão de aproximadamente 1539 °C. Esses valores não definem as temperaturas críticas do SAE 1141. O trabalho de 1990 do NIST, Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, mostra a utilização adequada de um diagrama CCT específico de um grau: estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a maquinabilidade e as propriedades de fadiga sob condições de arrefecimento especificadas.

Por conseguinte, uma temperatura citada deve ser acompanhada da respectiva evidência. Indique a designação do grau e a norma, a base da composição — nominal, análise da corrida ou composição medida —, bem como a microestrutura inicial, a temperatura de austenitização e o tempo de manutenção, a velocidade de aquecimento ou de arrefecimento, a geometria do provete, o tipo de diagrama e o método de medição. A dilatometria, a análise térmica diferencial, a medição da resistência eléctrica e a interrupção para análise metalográfica podem produzir temperaturas aparentes de início e de fim diferentes.

Notação Ae, Ac, Ar, Ms, Mf e Aecm

O prefixo Ae designa uma temperatura de transformação em equilíbrio. Assim, Ae1 é o limite eutectóide em condições de equilíbrio, e Ae3 é o limite superior associado à formação de ferrite a partir da austenite num aço hipoeutectóide. Aecm identifica o limite de equilíbrio austenite–cementite no lado rico em carbono. O índice “cm” refere-se à cementite, Fe₃C.

A composição aproximadamente eutectóide é de 0,8 % em massa de carbono. A cerca de 723 °C, o material de 2002 da University of Cambridge, Materials Science & Metallurgy, apresenta a reacção γ → α + Fe₃C. Neste caso, γ é a austenite e α é a ferrite. Esta equação descreve as fases em equilíbrio; não afirma que todo o aço arrefecido através de 723 °C formará perlite.

O prefixo Ac refere-se a uma temperatura crítica medida durante o aquecimento, enquanto Ar se refere a uma temperatura medida durante o arrefecimento. Ac1 e Ar1 podem diferir porque a nucleação, a dissolução, a difusão e o atraso térmico dependem da velocidade e da estrutura inicial. A ASM International indica que, durante um arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de arrefecimento. Ms é a temperatura de início da formação de martensite durante o arrefecimento, e Mf é a temperatura de fim da formação de martensite. A martensite é um produto displacivo e, em grande medida, isento de difusão; um arrefecimento insuficiente abaixo de Mf pode deixar austenite retida. Os diagramas TTT assinalam habitualmente Ms, enquanto os diagramas CCT mostram a forma como o arrefecimento contínuo intersecta as regiões de perlite, bainite e martensite.

Fases, constituintes e comunicação da microestrutura

Uma fase é uma parte física e quimicamente distinta de um material, com uma estrutura definida e um intervalo de composição próprio. O trabalho de 2008 da University of Cambridge, Interpretation of the Microstructure of Steels, identifica a austenite como cúbica de faces centradas, a ferrite como cúbica de corpo centrado e a cementite como Fe₃C ortorrômbico. Um campo de fases num diagrama de equilíbrio prevê quais as fases estáveis para uma determinada composição e temperatura. Não é uma fotografia e não especifica o tamanho das partículas, o espaçamento, a morfologia ou a velocidade de transformação.

Um constituinte é um produto ou agregado microestrutural observado. A perlite é habitualmente um agregado de ferrite e cementite; a bainite contém regiões ferríticas e disposições de carbonetos produzidas por um mecanismo de transformação distinto; a martensite é ferrite transformada e sobressaturada, com uma morfologia e um estado de carbono característicos. A ASM International considera a perlite, a bainite, a martensite, a ferrite proeutectóide e a cementite proeutectóide como os principais produtos da transformação da austenite, tanto em condições isotérmicas como de arrefecimento contínuo. O trabalho de 2024 da University of Cambridge, The Bainite Reaction, afirma que o crescimento da bainite é isento de difusão relativamente à rede de ferro e é termodinamicamente possível abaixo de T₀, onde a bainite possui uma energia livre inferior à da austenite com composição idêntica.

Os relatórios devem, por conseguinte, distinguir os campos de fases calculados dos constituintes medidos. Indique se a fonte é um diagrama de equilíbrio Fe–C ou Fe–Fe₃C, um diagrama TTT ou um diagrama CCT; em seguida, identifique de que forma a transformação foi detectada e como foi examinada a estrutura final. Uma imagem de uma superfície polida e atacada, um resultado de difracção de raios X, uma curva dilatométrica e um perfil de dureza respondem a perguntas diferentes. Uma temperatura sem esse contexto constitui uma designação incompleta.

Do diagrama à microestrutura: um fluxo de trabalho disciplinado de interpretação

Um diagrama de transformações não é uma tabela de consulta de temperaturas. É um mapa para uma composição, uma condição do provete, um programa de aquecimento ou arrefecimento e um método experimental especificados. A pergunta disciplinada não é, portanto, «Que fase se forma a 700 °C?», mas sim «Que material está presente, que percurso seguiu e que mecanismos de transformação tiveram tempo para operar?»

Começar pela composição e pelo percurso térmico pretendido

Comece por registar a designação do aço e a sua composição química. «Aço-carbono» é uma designação demasiado ampla para permitir uma previsão fiável. Um aço eutectoide simples ao carbono comporta-se de forma diferente do SAE 1141, e ambos diferem dos aços de liga que contêm crómio, molibdénio, níquel, manganês ou silício. Registe os teores de carbono e dos elementos de liga, a condição inicial, o tamanho de grão, se conhecido, a espessura da secção, a temperatura de austenitização, o tempo de manutenção e as velocidades de aquecimento e arrefecimento.

A designação deve ser verificada em relação à análise química real da corrida quando as decisões dependem do resultado. Pequenas alterações na composição química podem deslocar as temperaturas de transformação e alterar as fracções dos produtos de transformação. O silício, por exemplo, eleva o intervalo de temperaturas de transformação, reduz a solubilidade do carbono na austenite e tende a dissociar o carboneto de ferro. Até o sentido da variação térmica é relevante: a ASM International indica que, em arrefecimento lento, as temperaturas críticas de aquecimento podem ser aproximadamente 33 °C superiores aos valores de arrefecimento.

Em seguida, classifique o processo térmico. Um cálculo de equilíbrio pressupõe variações extremamente lentas e tempo suficiente para que as fases se aproximem das suas composições de equilíbrio. Um tratamento isotérmico leva rapidamente o aço até uma temperatura seleccionada e mantém-no nessa temperatura; esta é a condição representada por um diagrama TTT. Um tratamento de arrefecimento contínuo acompanha uma temperatura variável e é representado por um diagrama CCT. O arrefecimento no forno, o arrefecimento ao ar, a têmpera em óleo e a têmpera em água são percursos contínuos, e não manutenções isotérmicas, mesmo que as suas temperaturas finais sejam semelhantes.

O conhecido diagrama Fe–C fornece limites úteis, mas não prevê todas as microestruturas industriais. No ferro puro, a austenite cúbica de faces centradas é estável aproximadamente entre 910 e 1400 °C, e o ferro puro funde aproximadamente a 1539 °C, segundo Stainless Steels: Phase Equilibria (2005), da University of Cambridge. Estes valores não se aplicam sem alteração aos aços ligados. A aproximadamente 0,8 wt% de carbono e 723 °C, a reacção eutectoide é γ → α + Fe₃C, mas um aço real pode conter ferrite ou cementite proeutectoide antes de se formar o constituinte eutectoide.

Seguir o percurso através dos dados TTT ou CCT

Seleccione o diagrama que corresponde ao processo. Num diagrama TTT, localize a condição de austenitização, avance rapidamente até à temperatura de manutenção e, em seguida, leia o início e o fim da transformação durante a manutenção. Num diagrama CCT, trace ou seleccione a curva de arrefecimento real e identifique cada região que esta atravessa. Não transfira directamente um tempo de início obtido num diagrama TTT para um tratamento CCT; o aço atravessa uma gama de temperaturas enquanto a transformação decorre.

Escreva explicitamente a sequência. Um aço hipoeutectoide pode formar primeiro ferrite proeutectoide a partir da austenite, seguida de pearlite. Um aço hipereutectoide pode formar cementite proeutectoide antes da pearlite. Uma curva de arrefecimento que evite a região da pearlite pode entrar no intervalo da bainite e, em seguida, cruzar Ms, a temperatura de início da formação de martensite. A estrutura final pode, consequentemente, conter ferrite, pearlite, bainite, martensite e austenite retida em diferentes proporções.

Estes nomes descrevem também diferentes tipos de entidades. A ferrite, a austenite e a cementite são fases: Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), da University of Cambridge, identifica-as, respectivamente, como ferrite cúbica de corpo centrado, austenite cúbica de faces centradas e Fe₃C ortorrômbico. A pearlite e a bainite são produtos de transformação com arranjos característicos de fases, enquanto a martensite é um produto de transformação deslocativa. Uma temperatura de transformação assinala um limite ou um acontecimento, e não um constituinte final garantido.

O mecanismo é importante. As transformações reconstrutivas requerem difusão atómica e podem produzir ferrite, pearlite ou cementite quando o percurso proporciona tempo para a redistribuição do carbono. A martensite forma-se sem a difusão química de longo alcance exigida por essas reacções. A bainite resulta de 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 bainite é não difusivo relativamente à rede de ferro e é termodinamicamente possível abaixo da temperatura T₀.

A martensite não é automaticamente o último produto. Se Ms estiver abaixo da temperatura ambiente, ou se o arrefecimento terminar antes de a austenite se esgotar, pode permanecer austenite retida. O material TTT de Cambridge (2012) identifica especificamente o carbono como um factor que afecta Ms, a temperatura de fim da formação de martensite Mf e as fracções de austenite retida. Assim, «aço temperado» pode significar uma estrutura mista, e não martensite a 100%.

Validar as previsões por microscopia e ensaios de propriedades

Trate o resultado do diagrama como uma previsão. Confirme-o preparando um provete representativo, polindo-o e atacando-o quimicamente com um método adequado ao aço, e examinando a estrutura por microscopia óptica, microscopia electrónica de varrimento ou outra técnica apropriada. A metalografia pode revelar a morfologia da ferrite, o espaçamento da pearlite, os feixes bainíticos, as regiões martensíticas, as redes de carbonetos, a descarburação e a segregação, embora alguns constituintes exijam uma interpretação cuidadosa, uma vez que o contraste do ataque químico não constitui uma identificação directa de uma fase.

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

Um diagrama CCT de um aço pode ser utilizado para estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência mecânica, a dureza, a maquinabilidade 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: um diagrama deste tipo pode estimar a temperabilidade e prever a microestrutura à temperatura ambiente, a resistência, a dureza, a maquinabilidade e as propriedades de fadiga. «Prever» continua a ser a palavra operativa. Um conjunto de dados de um diagrama corresponde a uma composição, uma condição do grão, uma dimensão do provete e um procedimento de ensaio específicos. Quando as consequências do erro forem significativas, siga o percurso térmico, registe a sequência prevista e compare-a com a microscopia e com 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