O processo de têmpera e partição (Q&P, do inglês “quenching and partitioning”), proposto por Speer [31] é bastante estudado por pesquisadores [17,30,32] que estão em busca e/ou desenvolvimento de um aço que tenha alta resistência mecânica e alta ductilidade; é baseado na partição de carbono da martensita para a austenita não transformada na fase de partição [33,34,35]. O Q&P é um método de estabilização da austenita em aços [36].
O tratamento térmico convencional de têmpera e revenimento é aplicado há muito tempo aos aços para produzir boas combinações de resistência mecânica e tenacidade a partir da estrutura martensítica [37]. Os aços tratados pelo tratamento térmico convencional de têmpera e revenimento são compostos por martensita e carbonetos precipitados. No caso dos aços tratados com Q&P consistem em martensita e austenita retida [35,38,39,40]. Existem dois perfis tempo em função da temperatura para a obtenção de microestruturas Q&P como mostrado na Figura 6 [33], os quais podem também ter relação com a austenita estabilizada durante os tratamentos térmicos de alívio de tensões.
Figura 6 - Perfis de tempo em função da temperatura dos processos Q&P. Adaptado de [24].
O primeiro método, é realizado com uma permanência isotérmica na temperatura de têmpera (entre Mi -Mf), em seguida, é realizado um resfriamento até a temperatura ambiente, isto é conhecido como processo Q&P em um estágio. O outro processo é conhecido como Q&P de dois estágios e consiste em resfriamento a uma temperatura entre Mi e Mf, depois é aquecido até uma temperatura perto de Mi em que é mantida (temperatura de partição); seguido de um resfriamento até a temperatura ambiente [33]. Esta faixa de temperaturas, entre Mi e Mf corresponde a faixa de temperaturas aplicada no presente trabalho.
O processo de Q&P consiste em uma etapa de austenitização seguida de um resfriamento rápido (têmpera) em uma temperatura entre Mi e Mf denominada temperatura de têmpera [41]. Após a têmpera é realizada a etapa isotérmica (partição) a fim de estabilizar a austenita; essa etapa permite a difusão dos elementos de liga intersticiais da martensita supersaturada para a austenita. Assim o enriquecimento da austenita em C e N incrementa a estabilidade evitando a formação de martensita no resfriamento final; assim a austenita existente na temperatura de partição será retida na temperatura ambiente [37,38,39]. Cada uma das etapas é explicada na sequência:
• Austenitização: a relevância de esta etapa está relacionada com o teor de carbono e a composição química da austenita antes da têmpera. Com maiores temperaturas de
austenitização, se obtém uma austenita com maior teor de carbono e elementos de liga, produto da dissolução dos carbonetos de ferro [13]. O tamanho de grão da austenita antes da têmpera também tem efeito na formação da martensita, uma vez que os limites dos grãos podem diminuir a semicoerência/coerência entre a martensita crescente e a fase mãe [42]
• Têmpera: nesta etapa, é dada grande importância à quantidade de martensita formada e isso é obtido a partir de um resfriamento rápido da austenita. A temperatura de têmpera decide a fração inicial de martensita e austenita não transformada com base na transformação cinética da martensita [35]. Para a seleção da temperatura de resfriamento, devem ser considerados parâmetros tais como a cinética de transformação martensítica, a temperatura Mi, a quantidade de austenita retida que se deseja manter estável à
temperatura ambiente, além da fração de austenita transformada em martensita [33]. • Partição: a estrutura formada após o resfriamento inicial é instável. A martensita formada tem uma quantidade de carbono que não está em equilíbrio, e a austenita não transformada é sensível à transformação martensítica, se houver suficiente variação de energia [42]. O estágio de partição no processo de Q&P; portanto, tem duas funções: i) estabilizar a martensita permitindo que alguns átomos intersticiais se difundam; e ii) a estabilização da austenita não transformada, evitando a transformação martensítica pela absorção do carbono proveniente da martensita supersaturada.
A partição de carbono envolve um equilíbrio metaestável, o qual é o ponto em que a difusão é de longo alcance para os de elementos de liga intersticiais, mas de curto alcance para os substitucionais [37]. Utilizando o diagrama molar de energia livre de Gibbs para 2 fases (martensita-austenita), o potencial termodinâmico da migração dos átomos de carbono da martensita para a austenita pode ser representado. A Figura 7 a) mostra que existe apenas uma composição de ferrita-austenita em que há um equilíbrio total, ou seja, que o potencial químico de Fe e o de carbono são iguais nas duas fases. Na Figura 7 (b) as interseções das tangentes mostram o potencial químico igual para o carbono nas duas fases, enquanto o potencial químico do Fe é diferente para cada fase em uma determinada temperatura [34].
O ponto em que um equilíbrio entre martensita-austenita é alcançado deve corresponder ao momento em que a energia para a partição do carbono diminui, este ponto é chamado de "paraequilíbrio restrito" [43,44], porque tem características do
paraequilíbrio, mas com a condição de que na interface α/γ, seja permitida uma rápida difusão do carbono e nitrogênio, mas uma difusão muito lenta de Fe e substitucionais. Considerando que , a condição de equilíbrio se aplica apenas ao carbono dentro do sistema, então haverá estados de equilíbrio infinitos [37,41,42], Figura 7 [41].
Figura 7 - Esquema molar energia livre de Gibbs vs diagrama de composição que ilustra o equilíbrio metaestável a uma temperatura específica entre ferrita e austenita em um sistema binário Fe-C. (a) Equilíbrio. (b) duas condições possíveis de equilíbrio restrito [41].
Considerando as baixas temperaturas utilizadas para realizar a etapa de partição e a possível difusão de átomos intersticiais, enquanto os átomos substitucionais permanecem imóveis, se as reações de precipitação forem evitadas, a migração de carbono entre a austenita e a martensita ocorrerá até o potencial químico atingir o equilíbrio [41]. Assim a descrição termodinâmica original do processo Q&P feita por Speer [31]), referida comumente como equilíbrio de carbono restrito, dá o ponto final da partição, como o ponto no qual a concentração de carbono alcança o equilíbrio na interface austenita/martensita [34,36].
Se for considerada a difusão num estado estacionário, pode ser aplicada a primeira lei de Fick; mas a difusão não tem um comportamento estacionário devido à uma redução constante do carbono na martensita, o que significa um aumento no teor de carbono na austenita [41]. Além disso, o coeficiente de difusão na austenita varia de acordo com sua própria concentração, também devido à partição poder ser acompanhada de formação de carbonetos. Pelas razões antes mencionadas, o estágio de partição torna-se complexo [37,42].
A adição de elementos de liga é utilizada para retardar a migração da interface durante a partição, assim as reações indesejadas são limitadas, como a formação de bainita/martensita isotérmicas, tais reações também podem ser evitadas com a seleção de
uma temperatura de partição apropriada, na qual a mobilidade seja desprezível se comparada com o tempo de partição [36].
• Resfriamento final: Durante esta etapa não ocorrem alterações microestruturais, porém, pode acontecer de a austenita que não foi enriquecida em carbono durante a partição, se transformar em martensita; a martensita obtida neste caso é chamada de martensita fresca [42].
A Figura 8 apresenta a representação esquemática do ciclo térmico ao qual foi submetido o aço Cr15NC12.16 (austenítico inoxidável) para estudar as propriedades e a microestrutura com o processo de Q&P [39].
Figura 8 - Representação esquemática de um processo térmico para um aço inoxidável austenítico metaestável com o objetivo de transformá-lo em um aço de ultra alta resistência; composto de austenita, martensita e carbonetos dentro da martensita. A abreviatura “p” usada é utilizada para denominar os precipitados na microestrutura dos aços. Adaptado de [39].
Na Figura 8 a primeira etapa é a austenitização, a qual pode ser completa ou parcial, na primeira a quantidade de austenita formada é maior do que na segunda, devido a maior dissolução de carbonetos [39,35]. A seguinte etapa é a têmpera, que é feita abaixo da Mi, onde se obtém a martensita e a austenita [41]. Na terceira etapa isotérmica (partição) se apresenta a difusão de carbono desde a martensita supersaturada em carbono obtida durante a têmpera, para a austenita retida [34,41]. Na partição pode ocorrer também precipitação de carbonetos [45]. A última etapa é o resfriamento final, na qual se espera que não existam mudanças microestruturais.
YAN, et al. [35] trataram um aço um aço 0,20% C; 1,58% Si; 1,55 Mn; 0,038% Al com Q&P com austenitização completa e parcial e nas microestruturas finais observaram que o aço tratado com austenitização completa tanto com 2 etapas quanto em apenas uma, a é estrutura principalmente martensítica em agulhas e grãos de austenita retida na forma de filmes finos organizados alternadamente. Por outro lado, aqueles tratados com austenitização parcial contêm, martensita, ferrita e a austenita retida apresenta-se nos contornos de grãos dos pacotes anteriores de austenita ou martensita como blocos. Além disso, os blocos de austenita retida a partir da amostra com austenitização parcial são notavelmente maiores do que os filmes na amostra com austenitização completa.
Em outro caso, G. Mandal. et al [46], utilizaram amostras de um aço 0,20% C; 1,4Si; 1,65Mn; 1.50Al; 0,006S; 0,014P, foram tratadas com Q&P com austenitização parcial e completa após de um Processamento Termomecânico Controlado. Os resultados de DRX e MEV mostraram que as amostras do aço estavam constituídas por martensita, austenita retida, ferrita que aparece devido a austenitização parcial e bainita, o último é muito provável que apareça pelo tempo de partição longo ao que foi submetido [46]. As análises de DRX da austenita retida apresentaram evidência de que a austenitização completa em comparação com a austenitização parcial produz um efeito mais positivo na estabilidade da austenita retida [46].
Os parâmetros de processamento como temperatura de austenitização, taxa de resfriamento, temperatura de resfriamento, tempo e temperatura de particionamento influenciam principalmente o processo de particionamento de carbono e são essenciais no controle da microestrutura final do processo Q&P [35,46]. Os parâmetros que serão estudados no presente trabalho são temperatura de austenitização, e tempo de particionamento.