A etapa de alívio de tensões pode apresentar um forte efeito estabilizador da austenita, conforme descrito em trabalhos anteriores (FARINA et al., 2012). Por isso, visando o real discernimento dos conceitos metalúrgicos abordados neste trabalho, é fundamental compreender que a austenita retida pode ser definida como a austenita não transformada após a têmpera, desde a temperatura de austenitização até a temperatura ambiente, ou mesmo após tratamento criogênico (GRUBER et al., 2015). Sendo assim, trata-se de uma fase metaestável à temperatura ambiente, a qual pode se transformar em martensita mediante o fornecimento de energia de ativação suficiente, seja por meio da aplicação de tensão ou do aquecimento da estrutura (MOLKERI et al., 2016). A Figura 2.9 mostra a microestrutura de um aço AISI D2 que, após ser temperado, apresenta austenita retida em sua matriz.
Figura 2.9 – Microestrutura do aço AISI D2 após têmpera, cuja matriz consiste basicamente em martensita e
austenita retida envolvidas por carbonetos do tipo M7C3 não dissolvidos. Adaptado de WIERSZYLLOWSKI,
Há, basicamente, três tipos de estabilização da austenita: térmica, mecânica e química, relatam Kokosza e Pacyna (2005). No entanto, vale ressaltar que a discussão aqui apresentada restringe-se a abordar somente ao que tangencia a sua estabilidade térmica, uma vez que os fenômenos envolvidos em cada caso diferem completamente entre si e excedem o escopo deste trabalho.
As explicações para os mecanismos que causam essa estabilização mediante a inserção de um patamar isotérmico são complexas. De acordo com Bhadeshia e Honeycombe (2006), a formação de agulhas de martensita provoca deformação plástica na matriz em torno dela, o que pode resultar no aumento da densidade de discordâncias na austenita. A interação de parte destas discordâncias com as discordâncias nos contornos da martensita fará com que as mesmas não possam mais se mover, impossibilitando o crescimento das agulhas. Qualquer fenômeno que encoraje este processo promoverá a estabilização, como, por exemplo, a permanência em temperaturas intermediárias que fornece tempo para a relaxação, ou seja, a movimentação das discordâncias, além do ancoramento destas por átomos de carbono, formando atmosferas de Cottrell (BHADESHIA, HONEYCOMBE, 2006).
Há dois tipos de tratamentos térmicos que podem causar a estabilização austenítica: um acima e o outro abaixo da temperatura Mi. Quando o alívio de tensões é realizado acima da temperatura Mi, a estabilização está relacionada com o efeito do ancoramento dos defeitos e discordâncias na interface entre as regiões transformadas e não transformadas devido à formação de atmosferas de Cottrell, tanto diminuindo o número de sítios para nucleação quanto envenenando os pré-núcleos (embriões), impossibilitando o seu crescimento (NISHIYAMA, 1978). Uma vez que quanto maior a temperatura de austenitização menor é a Mi (no caso de aços hipereutetóides), haverá menor quantidade de martensita em temperaturas intermediárias e, consequentemente, menor deformação plástica na austenita, o que pode explicar a menor taxa de estabilização em amostras austenitizadas a 1100ºC quando comparadas com amostras austenitizadas a 1020ºC, conforme apresentado pela literatura (NISHIYAMA, 1978; MENG et al., 1994).
No entanto, quando o alívio de tensões é realizado em temperaturas inferiores à temperatura Mi, ocorre uma segregação de átomos intersticiais para os sítios de nucleação ou difusão de átomos intersticiais da martensita para a austenita retida. Os sítios para nucleação, interfaces martensita/austenita retida e as imperfeições do reticulado que permaneceram na austenita retida, seriam enriquecidos por difusão de átomos intersticiais durante o envelhecimento (FARINA, 2011; FARINA et al., 2012; FARINA et al., 2013).
Em um estudo realizado por Qiao et al. (2016), os autores investigaram os fenômenos envolvidos na estabilização da austenita em um aço de alto carbono, após o ciclo térmico de têmpera seguido pela etapa criogênica e revenimento, respectivamente. Mesmo após as amostras permanecerem por 240 horas a temperatura de -196ºC, ainda assim foi constatado aproximadamente 8% de austenita retida, causando certa surpresa nos pesquisadores.
Na sequência de suas análises, eles observaram que a estabilidade da austenita pode estar relacionada ao seu próprio enriquecimento de carbono, proveniente da partição de carbono da martensita durante o revenimento. Os autores concluíram que, mesmo para um longo patamar criogênico, não há a eliminação completa da austenita retida e que a concentração de carbono e a densidade de discordâncias podem exercer um papel significativo em sua estabilidade (QIAO et al., 2016). Deve-se considerar, também, que esses ciclos térmicos favorecem a formação de carbonetos do tipo η, os quais são mais finos e se encontram uniformemente distribuídos (WIERSZYLLOWSKI, 2006).
Nesse sentido, esses resultados mostram-se coerentes com outros trabalhos publicados pela literatura, como no caso das pesquisas realizadas por Gruber et al. (2015), ao constatarem uma notável estabilização da austenita mesmo após tratamento criogênico seguido de revenimento, em um aço com alto teor de cobalto e níquel. Os autores verificaram que a austenita retida encontrava-se preferencialmente nos contornos das ripas de martensita e concluíram que a sua estabilidade também depende da distância de difusão dos elementos de liga em diferentes temperaturas (GRUBER et al., 2015). Este fato aparentemente apresenta-se em conformidade com os estudos realizados por Cui, Gintalas e Castillo (2018), ao apontarem um efeito retardador de Mn e Si na decomposição completa da austenita.
Ao tratar da estabilidade térmica dessa fase, não se pode deixar de mencionar que o processo de têmpera e partição de carbono durante o ciclo térmico de revenimento também interfere na estabilidade da austenita retida, afirma Moor et al. (2008). Se a formação de bainita ou a migração da interface austenita/martensita puderem ocorrer durante a partição, então a austenita presente pode ser consumida, reduzindo sua capacidade de estabilização (MOOR et al., 2008).
A escolha do tempo e da temperatura de austenitização exerce forte influência nas propriedades mecânicas e, portanto, deve ser adequada à natureza da aplicação do material em estudo. No caso de temperaturas mais baixas, a menor dissolução dos elementos de liga aumenta a temperatura Mi e resulta em menor quantidade de austenita retida após a têmpera, conforme indicam os resultados obtidos por Surberg, Stratton e Lingenhöle (2009) para um aço AISI D2 tratado criogenicamente. Por outro lado, temperaturas de austenitização mais
altas também aumentam a temperatura Mi devido ao aumento do tamanho de grão e à diminuição dos defeitos internos (KUMAR, THIRUMURUGAN, VISWANATH, 2017).
O tempo de permanência à temperatura de austenitização também deve ser controlado, pois à medida que ele aumenta, ocorre o crescimento do grão. Vale ressaltar que tanto os tempos maiores quanto os tempos menores são prejudiciais, uma vez que um tempo de austenitização menor fornece um período insuficiente para a obtenção da microestrutura homogeneizada e um tempo maior produz grãos grosseiros suscetíveis à formação de microfissuras (KUMAR, THIRUMURUGAN, VISWANATH, 2017).