Bainita

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Bainita é uma microestrutura resultante de uma decomposição eutetóide, onde a austenita se decompõe em ferrita mais carbonetos (cementita). A decomposição que resulta nesta estrutura acontece em aços sob um intervalo de temperatura que pode variar de 550°C a 250°C dependendo da composição química da liga[1] [2] .

Trabalhos realizados na década de 20 publicados por Hultgren[3] , Robertson[4] e Bain e Davenport mostraram através de estudos da decomposição isotérmica da austenita que agregados finos de ferrita mais carbonetos (cementita) podem ser formados a partir da austenita transformada isotermicamente. Nestes trabalhos, foi possível mostrar através de metalografia no limite de resolução do microscópio ótico, as diferenças entre os produtos de alta temperatura (perlita e ferrita), de baixa temperatura (martensita) e os produtos de temperatura intermediária de morfologia acicular e contendo carbonetos em uma matriz ferrítica que passaram a ser denominados de bainita.

A faixa de temperatura para a transformação bainítica varia de 250 a 550°C, faixa que se localiza entre a formação de perlita e martensita. Quando ela é formada sob resfriamento contínuo, a taxa de resfriamento (ou seja, o quão rápido o material é resfriado) é maior em relação à formação da perlita e menor em relação à formação da martensita. Alguns elementos de liga podem alterar o intervalo de formação da estrutura bainita, sendo o carbono o elemento que exerce maior influência.

Em 1939, Mehl constatou a existência de duas diferentes morfologias para estes produtos formados a partir de temperaturas intermediárias, são elas: bainita inferior e bainita superior[5] .

A bainita pode ser apresentada de diversas formas, porém de maneira majoritária, é apresentada como uma estrutura acicular, sendo assim difícil de distingui-la entre outros subprodutos da decomposição da austenita, sejam eles formados sob elevadas temperaturas (ferrita de Widmansttaten) e baixas temperaturas (martensita). Esta semelhança pode ser consequência das microestruturas dividirem alguns aspectos do seu mecanismo de transformação.

História[editar | editar código-fonte]

A bainita é descrita pelos metalurgistas de diferentes maneiras desde sua primeira constatação e registro em 1930 na publicação de Davenport e Bain[6] onde a mesma é nomeada como troostite e definida como: “um produto não definido de aparência escura o qual é formada por uma transformação acicular com um crescimento não radial ou nodular a partir da decomposição da austenita sob temperaturas intermediárias em relação à ferrita e martensita”. A estrutura que antigamente era denominada de troostite foi nomeada como Bainita depois de quase duas décadas da sua primeira observação em 1926.

Mecanismo de formação[editar | editar código-fonte]

Desde sua primeira observação, a bainita vem sendo descrita de diferentes maneiras do ponto de vista cinético e termodinâmico quando se diz respeito à nucleação e crescimento. Neste contexto, os pesquisadores se dividem quando classificam se a transformação bainítica acontece por meios difusionais ou displacivos (sem difusão).

A controvérsia entre as diferentes teorias existe desde que a estrutura bainítica foi identificada pela primeira vez no trabalho de Bain e Davenport em 1930[6] . A a seguir é uma reprodução da fase registrada e definida por Davenport e Bain como: “microestrutura escura e acicular”; na época, foi sugerido que tal transformação ocorreria antes da precipitação dos carbonetos por um processo semelhante à transformação martensítica.

Micrografia original do trabalho de Bain e Davenport da primeira observação da martensita-troostita.[6]

Em um artigo publicado no início da década de 30, Robertson fez a primeira observação direta da estrutura bainítica, porém não conseguiu identifica-la como uma nova estrutura[4] . Em seu trabalho, Robertson detalhou seu estudo na relação entre esses microconstituintes e a taxa de resfriamento seguido de diversas micrografias as quais ele observada uma estrutura escura e acicular difícil de ser identificada. Robertson realizou uma comparação entre bainita e perlita, sugerindo que a transformação acontece por mecanismos difusionais assim como a perlita. No caso da perlita, a nucleação ocorre em carbonetos e a bainita é nucleada na ferrita. Dentre suas conclusões, ele se demonstrou convencido que o crescimento de estruturas similares à ferrita de Widmanstätten é limitado por difusão de carbono. Após essas constatações, muitos trabalhos foram publicados no sentido de concordar com as hipóteses de crescimento controlado por difusão propostas por Robertson, porém até os dias de hoje não existe um consenso com relação ao mecanismo de formação da bainita, os pesquisadores divergem neste sentido.

Teoria displaciva[editar | editar código-fonte]

A teoria do mecanismo displacivo (sem difusão) da transformação bainítica foi primeiramente proposta por Hultgren em 1926 (12) quando o mesmo descreve a estrutura como “agulhas de troostite”. Em 1930, no trabalho de Bain e Davenport[6] , é realizada a primeira ligação direta do mecanismo de transformação não difusional da bainita, onde nomeiam a estrutura como ”martensita-troostite” e desde então a bainita é associada com a estrutura martensítica e posteriormente associada com o mecanismo de formação por meio da saturação de carbono na austenita.

Como exemplo de mecanismo de crescimento de estruturas aciculares por saturação da austenita, em 1936, Vilella propôs um mecanismo de crescimento rápido de placas denominadas “ferrita supersaturada”, a qual rejeita carbono para a redondeza durante seu crescimento sob uma taxa que depende da temperatura[6] . Nesta proposição, Vilella acreditava que o mecanismo acontecia em milionésimos de segundo. Em seu trabalho, Vilella toma como referência as ideias de Bain e Davenport para compor uma teoria de crescimento não difusional, ou seja, uma teoria de transformação displaciva.

Em tempos mais recentes, a ideia que a transformação bainítica teria uma etapa semelhante à reação martensítica seguida por um relaxamento da supersaturação, incorporada ao senso comum dos metalurgistas práticos que foi primeiramente defendida por Christian[7] e mais recentemente por Bhadeshia[8] . Para estes pesquisadores, a existência de um relevo de superfície mostra que em algum instante do processo, interfaces avançam por cisalhamento sem mudança de composição, em velocidades muito acima das permitidas por processos difusionais e em temperaturas acima da temperatura de início da martensita, para depois esperar a relaxação da supersaturação por difusão, antes do novo salto de avanço da interface.

Teoria difusional[editar | editar código-fonte]

Outro grupo de pesquisadores acredita que a bainita é formada por mecanismos difusionais e defendem a ideia que a bainita é um produto da decomposição eutetóide não lamelar e de maneira mais genérica, não cooperativa. A sua formação acontece por nucleação e crescimento difusional e podem ter qualquer morfologia desde que desenvolvam em contato e não cresçam sincronizadamente ou cooperativamente. Os seguidores desta teoria de crescimento mostram que as evidências de que a bainita apresenta relevo de superfície e morfologia acicular apresentada pelos pesquisadores que seguem a teoria displaciva não é suficiente para classificar a bainita como um subproduto de decomposição não difusional.

Atualmente, alguns pesquisadores representantes de laboratórios de excelência em microscopia eletrônica sugerem que o mecanismo seja “difusional-displacivo”. Esta classe de reações envolve difusão a longa distância de substitucionais e reconstrução difusional do reticulado, mas onde a cristalografia, entendida como a relação entre os reticulados e a estrutura e plano do hábito das interfaces podem ser descritas pela teoria fenomenológica da martensita. 

Morfologia[editar | editar código-fonte]

Predominantemente, a bainita é apresentada como agulhas de ferrita dispostas em feixes, onde agulhas e feixes são formados de subunidades que podem estar separados por austenita retida, martensita ou cementita. A estrutura também pode se apresentar no formato de lentes ou placas. A largura de cada subunidade de ferrita pode aumentar conforme é aumentada a temperatura de transformação.

Segundo Reynolds, podemos encontrar seis diferentes morfologias da bainita, entendidas como agregados de ferrita e carbonetos não lamelares obtidas pela decomposição isotérmica de austenita em aços de baixa liga.

Seis diferentes morfologias de bainita definida como um eutetóide não-lamelar, segundo Reynolds, AAronson e Spanos

Dependendo da temperatura em que a bainita é formada, podemos classifica-la em dois tipos: bainita superior e bainita inferior. A morfologia de ambas está descrita na figura 3.

Características microestruturas da bainita superior e inferior segundo Bhadeshia. AS dimensões são estimadas, pois dependem de diversos fatores da transformação (tempo, temperatura e transformação) [8]. 

Superior[editar | editar código-fonte]

A morfologia da bainita superior em aços carbono depende do teor de carbono, porém geralmente a faixa de temperatura de formação da bainita superior é definida no intervalo entre 400 a 550°C. Nos aços de baixo carbono (C<0,3%) o primeiro estágio da transformação envolve a formação de uma agulha de ferrita muito semelhante, mas numa escala menor em relação a uma plaqueta de ferrita de Widmanstatten. Esta agulha de ferrita pode nuclear nos contornos de grão da austenita, mas não no interior dos grãos. Existe também uma relação de orientação definida entre a agulha de ferrita formada e o grão matriz. Quanto mais baixa for a temperatura de transformação ou quanto maior foi o teor de carbono, menores são as agulhas de ferrita. Quanto maior for o teor de carbono, maior serão a quantidade de carbonetos precipitados na interfaces formando filmes contínuos nos sub-contornos.

Em aços médio carbono (>0,4%), o mecanismo de crescimento é diferente. O maior teor de carbono favorece a nucleação alternada e rápida de agulhas de ferrita e cementita. Esse tipo de bainita cresce por nucleação lateral alternada e repetida de ambas as fases com velocidade de crescimento lateral constante (engrossamento das agulhas). A ferrita aparentemente lidera a frente de reação, e a cementita nucleia na interface ferrita/austenita a certa distância das pontas das agulhas de ferrita.

Esquema ilustrativo da formação de bainita superior em aços de alto carbono [2].

Inferior[editar | editar código-fonte]

Assim como a bainita superior, o mecanismo de formação e morfologia da bainita inferior depende do teor de carbono e o seu intervalo de formação é de 250 a 400°C. O primeiro estágio da formação da bainita inferior consiste também na formação da agulha ou plaqueta de ferrita a partir da austenita. Estas agulhas são muito finas devido à baixa difusividade do carbono nestas temperaturas. Embora o carbono seja rejeitado para fora da ferrita em crescimento, existem evidências de que esta ferrita é supersaturada em carbono. O acúmulo de carbono na interface ferrita/austenita supersatura a austenita com carbono e a cementita nucleia nesta zona supersaturada. A posição de mais alta supersaturação é exatamente a interface e parece que a nucleação da cementita ocorre ao longo da interface da ferrita. Esta nucleação, assim como o crescimento dos carbonetos é mostrada na figura abaixo. Os carbonetos não nucleiam nas arestas das plaquetas de ferrita, mas somente ao longo de suas faces e crescem à medida que as plaquetas se tornam mais espessas.

No interior das agulhas de bainita ocorre a precipitação de carbonetos muito finos e dispersos, com uma relação de orientação tal que formam aproximadamente a um ângulo de 55° com o plano de hábito das agulhas.

Devido às suas dimensões nanométricas, os carbonetos precipitados na bainita inferior podem ser carbonetos metaestáveis, ditos “de transição”, como o carboneto ε com composição Fe2,2C. Estes carbonetos possuem estrutura cristalográfica hexagonal muito mais simples que a da cementita (ortorrômbica) e mais parecida com a das agulhas de bainita. Dessa forma os carbonetos são coerentes ou semi-coerentes com a matriz elevando a sua dureza. 

Esquema ilustrativo da formação de bainita inferior em aços de alto carbono [10].

Aplicações dos aços bainíticos[editar | editar código-fonte]

Aços de estrutura bainítica geralmente são obtidos geralmente por meio da austêmpera em banhos de sais fundidos ou por meio de resfriamento controlado (resfriamento contínuo). A classe de aços que pode apresentar esta estrutura são aços de baixa liga, geralmente microligados para construção mecânica, onde a estrutura mais procurada é da bainita inferior com durezas semelhantes à da martensita revenida na mesma temperatura e tenacidade significantemente maior do que a da bainita superior e melhor do que a martensita revenida de mesma dureza.

É mencionado frequentemente na literatura internacional aços de resistência à fluência, em particular a família dos aços com 2,25%Cr e 1%Mo, usados na geração de energia em usinas termoelétricas e nucleares. Esta classe de aços apresenta uma estrutura de bainita sem carbonetos, austenita retida e martensita quando resfriadas de maneira contínua mesmo quando o tratamento é realizado em peças de grandes dimensões, tais como turbinas a vapor. Estes materiais após a têmpera são revenidos em temperaturas acima da temperatura de trabalho, perto de 700°C, formando uma estrutura de bainita e martensita revenida de grande estabilidade, resistente à fluência e à fragilidade do revenido.[1]

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. a b Goldenstein, Hélio. (Rio de Janeiro 2002). "Bainita nos aços". Aços: Perspectivas para os próximos 10 anos: 77.
  2. Tschiptschin, André; Goldenstein, Hélio; Sinatora, Amilton (1988). Metalografia das ligas ferrosas. ABM [S.l.] 
  3. Hultgren, J. (1926). "". J.M.J.Iron Steel Inst.: 421-422.
  4. a b Robertson. (1929). "". J.M.J.Iron Steel Inst.: 391.
  5. Mehl. (1933). "". Trans. AIME: 255.
  6. a b c d Davenport, E.S; Bain, E.C. (1930). "". Trans. AIME.
  7. Christian, J.W. (1965). "Physical Properties of Martensite and Bainite". Iron and Steel Inst. Spec. Rep.
  8. Bhadeshia, H.K.D.H; Christian, J.W. (1990). "". Metall. Trans.A.
  9. Reynolds, W.T; Aaronson, H.I. e Spanos, G. (1991). "".
  10. Ohmori, Y. (2002). "". Scripta Mat..
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