A transformação da austenita, quando resfriada bruscamente, origina a fase martensita - nos aços e nas ligas Fe-C. A principal força motriz para a ocorrência da reação martensítica é a variação de energia livre existente entre as temperaturas de equilíbrio das fases ferrita e austenita.
As principais características da transformação martensítica, a qual é uma transformação de primeira ordem que ocorre no estado sólido, são: não ocorrência de difusão atômica e grande distorção do reticulado cristalino. Portanto, a martensita possui exatamente a mesma composição que a austenita prévia. O resfriamento brusco suprime a difusão, como conseqüência, os átomos de carbono são retidos em sítios octaedrais de uma estrutura cúbica de corpo centrado (ccc) distorcida, resultando assim, em uma nova fase, a martensita.
Nesta transformação de grande mudança de forma na estrutura, as distorções que ocorrem no reticulado são grandes, porém a área dos arranjos pode permanecer inalterada durante esta transformação. Trata-se de uma
distorção homogênea do reticulado original no qual os átomos não mudam suas posições em relação à sua vizinhança, somente alteram suas distâncias [49]. Devido à maior solubilidade do carbono na estrutura cúbica de face centrada (cfc) do que na forma de martensita, a célula unitária assumida pela martensita é tetragonal de corpo centrado (tcc), onde o parâmetro c da célula unitária é maior do que os outros dois parâmetros a. Com a maior concentração de carbono da martensita, mais sítios intersticiais são preenchidos, aumentando, assim, a distorção do reticulado, ou seja, sua tetragonalidade [50].
Uma grande região da microestrutura original de um material não pode ser transformada simultaneamente, em seu lugar a nova estrutura inicialmente nucleia localmente em algumas regiões no interior do arranjo cristalino e em seguida cresce. Este início se dá a uma temperatura MS, denominada
temperatura de início de transformação martensítica, e prossegue até atingir Mf, temperatura final da transformação martensítica. Para continuar crescendo,
a força motriz deve aumentar, a qual certamente é favorecida por um resfriamento. Assim, a fração transformada aumenta com a diminuição da temperatura, e é completada ao atingir a temperatura de fim de transformação Mf [49].
A microestrutura martensítica é repleta de barreiras que impedem a movimentação das discordâncias, atribuindo assim, uma grande resistência mecânica e elevada dureza a esta fase. Estas barreiras surgem em decorrência da morfologia da martensita, que pode ser em forma de placas com uma estrutura de maclas dentro das placas, ou em forma de ripas (ou agulhas) – pacotes formados por ripas de martensita - com uma alta densidade de discordâncias em seu interior. A martensita em forma de ripa é formada em aços de baixo e médio teores de carbono, enquanto os aços com altos teores de carbono formam martensita na forma de placas [50]. Por conseguinte, a alta resistência da martensita deve-se às barreiras impostas pela fina estrutura de maclas ou pela alta densidade de discordâncias.
A fragilidade da martensita deve-se a alguns fatores, tais como a distorção do reticulado causada pelos átomos de carbono acomodados nos sítios octaedrais, segregação de átomos de impureza nos contornos de grão da austenita, formação da carbonetos durante a têmpera e tensões residuais produzidas pela têmpera [50].
A temperabilidade dos aços determina o quanto de martensita pode ser transformada pela austenita, sem que seja formada perlita. As variáveis metalúrgicas que determinam a temperabilidade de um aço são: o tamanho de grão da austenita, o teor de carbono e a presença de elementos de liga [51].
Em aquecimento, ao atingir o campo austenítico, os grãos de austenita são formados por nucleação e crescimento. A nucleação é originada heterogeneamente nas interfaces cementita-ferrita. Em virtude da grande movimentação atômica no campo austenítico, o crescimento de grão é rapidamente favorecido pelas altas temperaturas e por longos tempos de austenitização. Logo, estas variáveis aumentam consideravelmente o tamanho dos grãos iniciais de austenita. Uma granulação mais fina, da austenita prévia, resulta numa estrutura martensítica mais refinada [52]. Adicionalmente, uma microestrutura de grãos austeníticos grosseiros é evitada devido ao aumento da fragilidade e perda de dutilidade, provocadas após a têmpera.
O teor de carbono exerce forte influência na temperabilidade dos aços; quanto maior o teor, maior a temperabilidade. Por aumentar a temperabilidade, altos teores de carbono dificultam a formação de perlita e de constituintes proeutetóides. Aços comerciais com menores teores de carbono, aumentam sua temperabilidade com a adição de manganês e outros elementos de liga em sua composição. Em diferentes graus, todos elementos de liga exercem certa influência sobre a temperabilidade. O cobalto é o único elemento que diminui a temperabilidade, por aumentar as velocidades de nucleação e crescimento da perlita. O manganês é o elemento que mais favorece a temperabilidade dos aços.
Ao aquecer a martensita a uma temperatura onde os átomos de carbono tenham mobilidade, ocorre a difusão destes átomos partindo dos sítios
octaedrais para formar carbonetos. Com isto, a tetragonalidade é aliviada, e a martensita é substituída por uma mistura de ferrita e cementita, como pede o diagrama de fase Fe-C. A decomposição da martensita em outras estruturas, em virtude do aquecimento, é chamado de revenimento.
2.4.2 Revenimento
O revenimento é um tratamento térmico, realizado em temperaturas subcríticas ou intercríticas, pelo qual a maior parte dos aços endurecidos devem ser submetidos. O revenimento aumenta a tenacidade da microestrutura martensítica temperada, por outro lado, provoca a diminuição da resistência e da dureza. A mudança estrutural mais importante que ocorre durante este tratamento é a formação e dispersão de carbonetos formados, de tal forma que a supersaturação da martensita temperada é suavizada e o equilíbrio das misturas de fases é aproximado com o aumento do revenimento.
A têmpera resulta numa microestrutura metaestável, a qual favorece a taxa de nucleação da ferrita. O principal objetivo do revenimento é produzir uma microestrutura mais estável e menos frágil. Isto é possível porque durante o revenimento ocorrem fenômenos difusionais, os quais estão presentes nos quatro estágios que compõem o revenimento.
O primeiro estágio do revenimento é marcado pela ocorrência de fenômenos distintos para aços com teores de carbono inferior e superior a 0,2 %. Nos aços com menos de 0,2 %C, ocorre a segregação de átomos de carbono nas discordâncias e nos contornos de ripa. Em aços com teores superiores a 0,2 %C ocorre a precipitação do carboneto épsilon, a partir do carbono remanescente nas discordâncias e nos contornos de ripa. Ao final do primeiro estágio as tensões começam a ser aliviadas.
A transformação da austenita numa microestrutura de bainita, constituída de ferrita e carboneto épsilon, caracteriza o segundo estágio do
revenimento. A matriz desta microestrutura resultante é ferrita, de estrutura ccc, diferentemente da martensita decomposta no primeiro estágio, que possui microestrutura tetragonal de corpo centrado. Com o desenvolvimento deste estágio, a dureza do material diminui continuamente.
No terceiro estágio é formado um carboneto em forma de bastão. Durante a formação destes carbonetos, os átomos de carbono migram de suas posições originais nas discordâncias e nos contornos de ripas para formar estas partículas. Neste estágio, ocorre a dissolução dos carbonetos épsilon, e a martensita de baixo carbono transforma-se em ferrita ou ferro com estrutura ccc, após perder seu carbono e sua tetragonalidade.
A dissolução e substituição dos carbonetos em forma de bastão por precipitados esferoidais de Fe3C, ocorre durante o terceiro estágio em
temperaturas próximas de 400 0C. As partículas de cementita nucleiam preferencialmente nos contornos de ripa e nos contornos de grão da austenita prévia, podendo haver também nucleação intragranular. Outras reações também ocorrem na matriz ferrítica durante este estágio. Uma delas é a recuperação das discordâncias dos contornos de ripa, que resulta numa estrutura de morfologia acicular com baixa densidade de discordâncias – ocorre na faixa de 500 a 600 0C. Em temperaturas mais altas, entre 600 e 700 0C, ocorre a recristalização da ferrita acicular, a qual dá origem a uma estrutura ferrítica equiaxial. Em aços com teores de carbono muito elevados, essa recristalização é dificultada pela ação de ancoramento exercida nos contornos de grãos ferríticos pelas partículas de carboneto [51].
Ao final do terceiro estágio, a microestrutura resultante é composta por um agregado de grãos ferríticos equiaxiais e partículas esferoidais de carboneto de ferro, denominadas de esferoiditas. Durante o quarto estágio, as esferoiditas crescem por difusão, em decorrência das menores energias livres que as partículas maiores possuem em relação às partículas menores. Tempos maiores de tratamento provocam o crescimento das partículas médias e, conseqüentemente, a diminuição do número de partículas.