Define-se martensita como uma fase metaestável originada pelo resfriamento brusco de um aço austenitizado anteriormente, por exemplo, resfriamento em água, óleo, sal moura, ou sob elevada pressão de gás nitrogênio. A transformação martensítica pode ser acompanhada observando-se superfícies polidas, que ao se resfriarem a partir da temperatura de austenitização, ficam corrugadas conforme esquema apresentado na Ilustração 11 (10).
Ilustração 11 - Martensita.
O mecanismo de formação da martensita é o cisalhamento que se constitui na deformação de reticulado ou deformação de Bain, associada a deformação com reticulado invariante, que irá compensar a grande variação de forma do reticulado (deformação de Bain), vide Ilustração 12 (2,8).
Ilustração 12 - a) Estrutura tetragonal de corpo centrado na célula da austenita. b) A esquerda célula original e a direita deformação de reticulado na transformação da austenita para martensita.
Fonte: Honeycombe (2005).
O mecanismo pelo qual a deformação por reticulado invariante depende principalmente da temperatura de reação (Ms: Início de reação martensítica). Deste modo pode-se esperar para altas temperaturas, o escorregamento pela movimentação de discordância, ou seja, martensita escorregada, no entanto, quando o Ms é baixo, o mecanismo de deformação que irá entrar em ação é a maclação mecânica, ou seja, martensita maclada.
A martensita escorregada tem movimentação de discordâncias ocorrendo apenas por escorregamento e sua difusão atômica na transformação martensítica ocorre de forma desprezível, mantendo-se boa parte do carbono nos interstícios octaédricos, fazendo com que se apresente com estrutura tetragonal de corpo centrado cuja relação c/a obedece a expressão abaixo (8).
Em termos de propriedades mecânicas, a martensita é normalmente extremamente dura (máximo de 800-900HV) e frágil. A dureza varia com o teor de carbono contido, conforme Gráfico 3, e este efeito está relacionado com as distorções causadas pelo átomo de carbono na estrutura “TCC”.
Gráfico 3 - Dureza da martensita em função do teor de carbono comparando-se com a estrutura perlitica e esferoidizada (2, 19)
Fonte: ASM (1966).
A temperatura de início de transformação martensítica apresenta dependência direta com a composição química do aço, existindo algumas expressões que a correlacionam com a porcentagem de elementos de liga, sendo que estas expressões variam quando se passa dos aços carbono para os aços ferramenta, mas mantém em comum a forte dependência desta temperatura com o teor de carbono do aço.
Algumas expressões que correlacionam o Ms com os elementos de liga presentes nos aços estão apresentadas a seguir:
Ms = 539 – 432 (%C) – 30,4(% Mn) – 17,7 (%Ni) – 12,1 (%Cr) –7,5 (% Mo) (8)
Ms = 520 – 320 (%C) – 50(% Mn) – 30 (%Cr) – 20 [%(Ni+Mo)] –5 [% (Cu +Si)] (2)
Esta última, para aços de médio teor de carbono
A seguir serão apresentadas as microestruturas da martensita para teores crescentes de carbono (Fotografias 7 a 11) (2).
Fotografia 7 - Martensita de baixo carbono (0,16%C). Ataque Nital 2%.
Fonte: Bain (1966).
Fotografia 8 - Aspecto da estrutura típica de uma martensita escorregada (0,03%C, 2%Mn). Ataque Nital 2%.
Fonte: Krauss (1990).
As Fotografias 8 e 9 correspondem a um tipo de martensita conhecida por martensita escorregada (lath martensite). Esse nome advém do mecanismo de deformação na martensita para compensação da grande mudança de forma quando da passagem de austenita para martensita. Esta mudança de forma leva o nome de deformação com reticulado invariante. Como já mencionado anteriormente, quando o início da reação martensitica (Ms) ocorre em temperatura elevada, como é o caso para baixos teores de carbono, o mecanismo de compensação ocorre por escorregamento (movimentação de discordância). Morfologicamente, esta martensita se apresenta em pacotes de ripas, sendo que as últimas são separadas por contornos de pequeno ângulo. A Fotografia 9 corresponde a observação de martensita escorregada através microscopia eletrônica de transmissão.
Fotografia 9 - Martensita escorregada, formada no aço ferramenta para trabalho à quente AISI H13 observada por microscopia eletrônica de transmissão.
Fotografia 10 - Martensita de alto carbono (0,8%C). Ataque Nital 2%.
Fonte: Bain (1966).
A Fotografia 10 apresenta o aspecto metalográfico da martensita de alto carbono também chamada de martensita maclada (twinned martensite). Esse nome advém do mecanismo de deformação de reticulado invariante que nesse caso ocorre por maclação mecânica. A maclação mecânica tende a ocorrer para baixas temperaturas de deformação, que ocorre quando o teor de carbono do aço é elevado já que este elemento de liga reduz de forma pronunciada a temperatura de início da reação martensítica. Esta maclação só pode ser vista através de microscopia eletrônica de varredura, pois se apresentam em grande quantidade e com uma espessura muito pequena da ordem de algumas dezenas de ângstrons. A Fotografia 11 apresenta uma martensita de teor de carbono ainda mais elevado (8).
Fotografia 11 - Martensita de 1,3% de carbono. Ataque Nital 2%..
Fonte: Honeycombe (1981).
Nesse exemplo o teor de carbono elevado causou uma grande porcentagem de austenita retida (fundo claro), em virtude de um pronunciado abaixamento da temperatura Ms. Pode-se afirmar que quando se deseja conseguir elevadas durezas nos aços, é desejável obter uma estrutura martensítica. Para que a última possa ser formada, é preciso evitar o aparecimento da bainita, perlita e ferrita. Para tanto são necessários rápidos esfriamentos, sendo a velocidade destes, função da temperabilidade do aço.
O Gráfico 4 apresenta um diagrama de esfriamento contínuo para um aço da Série 4340 (14,22).
Gráfico 4 - Diagrama de esfriamento contínuo para o aço 4340.
Fonte: Robert Hill (1982).
Pode-se observar que existe uma velocidade crítica de esfriamento a partir da qual se forma apenas martensita.
A Têmpera é um tratamento térmico no qual se deseja obter uma estrutura martensítica. A velocidade de esfriamento necessária para se obter essa estrutura está relacionada com a composição química do aço.
Os elementos de liga, com exceção do cobalto, aumentam o que se chama de temperabilidade, ou seja, deslocam para a direita os cotovelos indicados pelas setas 1 e 2 da Gráfico 4, necessitando de uma menor velocidade de esfriamento para obtenção da estrutura martensítica. O efeito dos elementos de liga na temperabilidade é do tipo multiplicativo, ou seja, será maior quando para uma determinada porcentagem total de elementos de liga, estes se apresentem em maior número (6).